Особенности эксплуатации дизельных двигателей с турбонаддувом: 7 правил правильной эксплуатации дизельного двигателя

для чего необходим турбонаддув с интеркулером

В данной статье мы разберем преимущества и особенности турбокомпрессорного наддува с промежуточным охлаждением воздуха

Судовой дизель с турбонаддувом

Основной характеристикой судовых дизелей, как в прочем и любых двигателей, является мощность. Для ее увеличения, без существенного изменения объема двигателя и количества цилиндров применяют турбонаддув. Он представляет собой один из видов нагнетания дополнительного воздуха в камеру сгорания, который происходит за счет работы турбокомпрессора. Судовой дизель, оборудованный турбонаддувом, неизменно демонстрирует лучшие мощностные показатели, чем равноценные аналоги с атмосферным нагнетанием воздуха.

Турбонаддув в судовых двигателях осуществляется за счет специального устройства – турбокомпрессора. Именно это приспособление, используя энергию отработанных газов, позволяет увеличить содержание кислорода в горючей смеси.

Если рассматривать сам принцип действия данного вида нагнетания воздушного потока, то в общих чертах схема выглядит так: колесо турбины, вращающееся за счет выхлопных газов, приводит в движение компрессорное колесо, которое и отвечает за сжатие и нагнетание воздушных масс в камеру сгорания.

Указанный процесс сопровождается неминуемым нагреванием воздуха до крайне высоких температурных показателей (до 200 °С). Стоит отметить, что и сам турбированный компрессор подвергается нагреванию со стороны отработанных газов. Данный факт обусловил появление сразу нескольких проблем: во-первых, перегрев элементов судового дизеля, в конечном итоге, приведет к его отказу, а во-вторых, горячий воздух обладает меньшей плотностью, что самым негативным образом сказывается на давлении наддува. Иными словами, судовой дизель будет работать в разы эффективнее, если потоки, циркулирующие в турбокомпрессоре, подвергать охлаждению.

Судовой дизель с интеркулером

Для решения данной задачи был придуман интеркулер – одновременно простое и гениальное устройство, позволяющее уменьшить температуру воздуха примерно до 50° С. Судовой дизель, в котором присутствует интеркулер, получает в свое распоряжение до 20% дополнительной мощности. Согласитесь, это внушительный показатель, особенно если учесть, что судовой дизель при этом не претерпевает никаких серьезных изменений. Конструкция промежуточного охладителя, как иначе называют интеркулер, относительно несложная: больше всего он напоминает радиатор с множеством длинных патрубков и ходов, выполненных из меди или алюминия. Выбор именно этих металлов продиктован их прекрасной теплоотдачей. Особенности строения И определяют и его «слабое место». Воздушный поток, проходя через многочисленные элементы интеркулера, частично теряет давление. Кроме того, он утяжеляет судовой дизель как минимум на несколько килограммов. Именно поэтому реальный показатель эффективности работы промежуточного охладителя оценивается в 70%, хотя в идеальном случае предполагается достижение всех 100%. Учитывая темпы развития современного машиностроения, можно предположить, что в скором времени будет найден путь для минимизации потери давления.

На данный момент существует только два вида интеркулеров:

• с воздушным охлаждением: они обладают наиболее простой конструкцией, однако уступают второму типу в эффективности;
• с водяным охлаждением: наиболее продуктивный вид И, но, за счет сложности установки и эксплуатации, встречается реже.

Подводя итог, можно с уверенностью заявить, что судовой дизель с турбонаддувом в сочетании с интеркулером даст внушительный прирост мощности.

В каталоге Маринэк вы можете выбрать подходящий судовой дизель Nanni как с атмосферным, так и турбонаддувом. На все возникающие вопросы вам ответят наши специалисты по телефону 8 812 34-000-56 и электронной почте [email protected].

Дизельный двигатель с турбонаддувом

История создания дизельных двигателей с турбонаддувом

Турбокомпрессоры применялись для повышения мощности двигателей внутреннего сгорания еще на этапе развития этого вида технологий. Запатентованный американцем Альфредом Бюхи в 1911 году турбокомпрессор на заре своего развития сыграл значительную роль в военной авиации – турбированные бензиновые двигатели ставились на истребители и бомбардировщики для повышения их высотности. Свое применение в автомобильном дизелестироении технология нашла относительно недавно. Первым серийным автомобилем с турбированным дизелем был появившийся в 1978 г. Mercedes-Benz 300 SD, а в 1981 г. за ним последовал VW Turbodiesel.

Устройство и принцип работы дизельного двигателя с турбонаддувом

Принцип работы турбированного дизельного двигателя основан на использовании энергии выхлопных газов. Покинув цилиндр, отработавшие газы попадают на крыльчатку турбины, вращая ее и закрепленную с ней на одном валу турбину компрессора, встроенного в систему подачи воздуха в цилиндры.

Таким образом, в отличие от атмосферных дизелей, в турбокомпрессорных агрегатах воздух в цилиндры подается принудительно под более высоким давлением. В итоге объем воздуха, попадающего в цилиндр за один цикл, возрастает. В сочетании с увеличением объема сгорающего топлива (пропорции топливно-воздушной смеси остаются неизменными) это дает прирост мощности до 25%.

Для еще большего повышения объема поступающего в цилиндры воздуха дополнительно применяют интеркулер – специальное устройство, охлаждающее атмосферный воздух перед нагнетанием в двигатель. Из школьного курса физики известно, что холодный воздух занимает меньше места, чем теплый. Таким образом, при охлаждении можно «затолкать» в цилиндр больше воздуха за цикл.

В результате у турбодизеля меньше удельный эффективный расход топлива (в граммах на киловатт-час) и выше объемная мощность (количество лошадиных сил на литр объема двигателя). Все это обеспечивает возможность существенно подрастить суммарную мощность мотора без значительного увеличения его габаритов и числа оборотов.

Плюсы и минусы дизельного двигателя с турбонаддувом

Обратная сторона повышения мощности мотора при сохранении общих характеристик, то есть форсирования, – более интенсивный износ узлов, как следствие, снижение ресурса силовой установки. Кроме того, турбины требуют применения специальных сортов моторных масел и строгого соблюдения рекомендуемых изготовителем сроков обслуживания. Еще более требователен к вниманию владельца воздушный фильтр. Также в работе двигателей с турбинами низкого давления может присутствовать эффект «турбоямы», выражающийся в заметном «проседании» на низких и средних оборотах двигателя.

Турбированные моторы менее экономичны, чем атмосферные дизели, потребляя на 20 – 50% больше топлива при том же объеме. Еще один явный недостаток системы турбонаддува – она очень чувствительна к износу поршневой группы. Возрастание давления картерных газов ощутимо снижает ресурс турбины. При продолжительной работе в таких условиях наступает «масляное голодание» и поломка турбокомпрессора. Причем повреждение этого агрегата вполне может привести к выходу из строя всего двигателя, а турбированные дизели еще менее ремонтопригодны, чем их атмосферные братья.

Да и вообще, наличие технически сложного турбокомпрессора, нуждающегося в дополнительных устройствах стабилизации давления, аварийного его сброса и так далее делает силовую установку автомобиля более замысловатой, увеличивая число деталей, а значит, снижая общую надежность. К тому же, ресурс самого турбокомпрессора значительно меньше, чем аналогичный показатель двигателя в целом.

Современные технологии усовершенствования дизельных двигателей

Значительную популярность сегодня приобрела система повышения эффективности и гибкости режимов дизеля под названием «Common-Rail». Если в традиционном дизельном двигателе каждая секция насоса высокого давления подает топливо в отдельный топливопровод, замкнутый на одну форсунку. Даже несмотря на изрядную толщину стенок топливопроводов при подаче в них жидкости под давлением в 1500-2000 атмосфер они незначительно, но «раздуваются». В результате попадающая в цилиндр порция топлива отличается от расчетной. «Довесок», сгорая, увеличивает расход горючего, повышает дымность и снижает полноту сгорания топливно-воздушной смеси.

Удачное инженерное решение этой проблемы разработали одновременно сразу несколько автопроизводителей. В новой системе топливный насос высокого давления подает горючее в общий трубопровод — топливную рампу, которая, помимо прочего, играет роль ресивера, то есть стабилизатора давления в контуре. В рампе все время присутствует постоянный объем топлива, находящегося не под пульсирующим давлением, а под постоянным.

К тому же, развитие интеллектуальных технологий позволило оснастить форсунки электронными системами открытия (в традиционных дизелях регулировка циклов впрыска происходит гидромеханическим способом при повышении давления в трубопроводе). Электронный блок, управляющий работой форсунок, учитывает информацию о положении педали акселератора, давлении в рампе, температурном режиме двигателя, его нагрузке и т.д. На основе этих данных рассчитывается размер порции топлива и момент его подачи.

Еще одно новшество, появившееся благодаря развитию автомобильной электроники – двухэтапная подача топлива в камеру сгорания. Сначала впрыскивается «разгонная» (около миллиграмма) порция. При сгорании она дополнительно к эффекту сжатия повышает температуру в камере, и основная доза, впрыскиваемая следом, сгорает более плавно, также плавно наращивая давление в цилиндре. В результате двигатель работает мягче и менее шумно, а расход топлива сокращается примерно на 20% при одновременном возрастании крутящего момента на малых оборотах на 25%. Что немаловажно — уменьшается содержание в выхлопе сажи.

Среди новых разработок, призванных улучшить экологические характеристики дизелей одновременно с оптимизацией их экономичности, наиболее перспективной считается система BlueTec, разработанная специалистами концерна Daimler AG. Основная ее составляющая – инновационная методика каталитической нейтрализации выхлопных газов.

Каталитические нейтрализаторы современных автомобилей работают за счет керамических или металлических «сот», покрытых слоем химически активных веществ — катализаторов. Катализаторы окисляют или восстанавливают токсичные соединения CO, CH и NOx до углекислого газа, простого азота и воды.

Однако особенности дизельного топлива, а также процессов образования и сгорания топливно-воздушной смеси в дизеле таковы, что выхлоп содержит не только вредные химические компоненты, но большое количество сажи. Причем если начать уменьшать долю сажи возрастает содержание NOx, и наоборот. Таким образом, для комплексной очистки дизельного выхлопа нужна многокомпонентная химико-механическая система, усложняющая конструкцию автомобиля и, как следствие, снижающая рентабельность производства.

Технология BlueTec построена на сочетании традиционных и новых решений. Сначала отработавшие газы проходят имеющийся на большинстве дизельных автомашин противосажевый фильтр и катализатор, «истребляющий» соединения углерода. Далее в выпускной тракт впрыскивается активный реагент AdВlue на основе мочевины (раствора аммиака в воде). Получившаяся смесь попадает в специальный нейтрализатор избирательного действия (SCR), в котором аммиак из AdBlue под влиянием катализа при температуре 250–300°С вступает в химическую реакцию с окислами азота, «разбирая» их на азот и воду. Здесь же «дожигаются» остальные вредные компоненты.

При очевидных плюсах BlueTec имеет не менее очевидные минусы. Хранение запаса компонента AdВlue требует отдельной емкости. Сама система осложняется за счет присутствия дополнительных узлов и магистралей. К тому же, система еще более прихотлива к качеству топлива и может работать только на солярке с минимальным содержанием серы.

Еще одна весьма актуальная для России проблема — раствор AdВlue замерзает при минус 11,5 градусов. Поэтому инженеры BlueTec сейчас активно работают над совершенствованием систем без использования мочевины. Сегодня проходят опробование и доработку комплексы из противосажевого фильтра, платинового каталитического нейтрализатора и двух SCR-катализаторов, «заряженных» исключительно на борьбу с оксидами азота. В настоящее время система позволяет обеспечить содержание NOx в выхлопе дизелей примерно на уровне Евро-5.

Правила и рекомендации по уходу за дизельным двигателем зимой

Распространенное мнение о том, что дизельные автомобили надежнее бензиновых, довольно субъективно. Его можно назвать справедливым лишь при обсуждении силовых установок, которые подходят только для тяжелых грузовиков. Если речь идет о легковушках с дизельным мотором, моторесурс таких двигателей практически идентичен бензиновым. Дизельный мотор требует надлежащего ухода и соблюдения правил эксплуатации во избежание появления неисправностей и проблем в работе, которые могут обернуться существенными финансовыми затратами. Итак, как ухаживать за дизельным двигателем?

Дизель с турбиной: правильная эксплуатация

Несмотря на обилие схожих черт, дизельные моторы разительно отличаются от бензиновых. Соответственно, их эксплуатация также имеет свои особенности.

• Если на дизеле установлен турбонаддув, то его характеристики будут сходны с высокооборотистыми двигателями на бензине. Однако, система дизельного агрегата изначально не рассчитана на езду на высоких оборотах, как большая часть бензиновых аналогов.
• Процесс управления дизельным автомобилем отличается: он хорошо тянет на пониженных оборотах, дополнительная раскрутка на требуется. Кроме того, рационально будет раньше повышать передачу, тогда как в случае с бензиновым авто это следует делать на более высоких оборотах.
• Если автомобиль был куплен недавно, стоит грамотно его обкатать, соблюдая все рекомендации специалистов и производителя.
• При холодном запуске откажитесь от перегазовки, даже если на улице стоит мороз. В такой ситуации давление масла пониженное, а смазка не идет в масляные каналы мотора. Давление на турбину резко взлетает вверх из-за недостаточного уровня масла в системе. Именно поэтому в холодное время необходимо тщательно прогреть дизмотор на холостых оборотах, а затем плавно начать медленное движение без внезапного ускорения.
• После окончания поездки следует дать мотору еще немного поработать вхолостую. Резкая остановка и выключение двигателя могут вызвать проблемы. Дело в том, что крыльчатка прогретой турбины продолжает быстро вращаться. При резком падении давления масла падает и мощность охлаждения турбины. В итоге турбокомпрессор может перегреться, а разгоряченное масло в системе турбонаддува начнет коксоваться. Во избежание таких проблем рекомендуется дать мотору функционировать на холостом ходу в течение 4 минут, и только потом заглушить двигатель. Выполнение этой задачи можно доверить автоматизации – просто купите турботаймер, который оставит двигатель работать в течение требуемого времени после того, как вы заберете ключ зажигания и закроете авто.

Оптимальный режим работы дизеля зимой – движение на средних оборотах с периодическими ускорениями и раскруткой оборотов до максимума. Такие нагрузки обеспечат качественную прочистку турбокомпрессора и активируют режим восстановления сажевого фильтра. Однако, высокие обороты рекомендованы лишь на краткие промежутки, поскольку длительные нагрузки может не выдержать ротор турбины. При этом нужно знать, что для активации такой функции необходимо будет каждый раз ставить машину на ручник, включая нейтральную передачу на механике.

Помните о том, что длительная работа мотора на холостом ходу (более 15 мин) и привычка ездить «на низах» может привести к постепенной закоксовке турбокомпрессора, в особенности при оснащении двигателя турбиной. При таком стиле вождения масло может проникнуть в камеру сгорания, что приведет к закоксовке дизеля.

Устранить эту проблему можно и своими руками, но, в любом случае, лучше избежать такого развития событий. Если вы застряли в пробке, и стоящий на месте дизель нельзя заглушить, следует намеренно разгонять обороты до показателя 1400 в минуту каждые 10 минут.

Выбор топлива и масла для дизельного авто

Ключевой плюс дизельного мотора – скромный расход топлива. Владельцы таких машин обязаны следить за качеством потребляемого автомобилем дизтоплива и проверять состояние фильтров. Дело в следующем: система питания дизеля чувствительна к попаданию мелких частиц, примесей и воды. Добавляется и необходимость замены дизельного топлива в соответствии с погодой – заправляйтесь соляркой для зимы или для лета согласно сезону.

Дизельное топливо густеет при минусовой температуре воздуха. Невысокое качество солярки на территории стран СНГ в сочетании с заморозками может сделать запуск дизельного мотора проблематичным. Чтобы избежать такой проблемы, следует производить простые манипуляции:

• Используйте специальные присадки-антигели;
• Контролируйте работоспособность свечей и своевременно меняйте вышедшие из строя элементы на новые;
• Установите подогреватель дизтоплива (проточный или предпусковой).

Кроме того, не стоит экономить на масле для дизельного двигателя. Отдайте предпочтение качественной продукции и регулярно меняйте масло – в случае с дизелем это нужно делать чаще, чем на бензиновых авто.

Следует учитывать, что в составе российской солярки содержится солидный объем серы, что вызывает ускоренное окисление масла. Следовательно, замену масла в дизельных автомобилях лучше делать каждые 7000 км пробега.

Характеристики масла также определяют срок службы турбины дизельного мотора, поскольку масло смазывает не только части двигателя, но и подшипники турбокомпрессора. Турбированный дизель плохо работает из-за недостаточного количества масла и требует использования высококачественного продукта. Зимой следует регулярно мониторить уровень масла. Если ваш двигатель турбирован, выбирайте масло с особым составом – он отличается от состава средств для атмосферных моторов. Турбонаддув повышает нагрузку на двигатель, поэтому для бесперебойной работы системы требуется масло со специальными присадками.

При необходимости добавить масла в мотор и отсутствии того же самого продукта, смешивать масла разных производителей или продукцию с разными характеристиками нельзя. Это обязательно приведет к перебоям в работе двигателя.

Важные рекомендации по эксплуатации дизеля зимой

Мы рассмотрели основные правила ухода за дизельным мотором в холодный сезон. Подведем итоги, выделив фундаментальные рекомендации для обеспечения продуктивной работы дизеля зимой:

• Перед каждой поездкой тщательно подогревайте мотор на холостых оборотах.
• Покупайте масло проверенного бренда, в качестве которого вы не сомневаетесь. Выбирайте продукцию, соответствующую конкретному типу мотора (наличие или отсутствие турбонаддува), поскольку «универсальные» масла не учитывают особенности работы и характеристики двигателей разной конструкции.
• Меняйте моторное масло в два раза чаще, чем рекомендовано производителем автомобиля.
• Заправляйтесь соляркой только на фирменных АЗС, подбирая тип топлива с учетом текущего сезона.
• Контролируйте функциональность свечей накала и своевременно меняйте перегоревшие или слабо работающие элементы на новые.
• Старайтесь ездить на средних оборотах, периодически повышая их для прочистки турбокомпрессора.
• Не забывайте проводить регулярную диагностику мотора и сервисное обслуживание системы питания в профилактических целях.
• Соблюдайте специальные правила эксплуатации двигателей, оснащенных турбонаддувом.

При соблюдении перечисленных правил хозяева дизельных авто смогут продлить службу двигателя и повысить его производительность. Грамотная эксплуатация позволит избежать ремонта дизельной системы, который может влететь в копеечку.

Особенности эксплуатации турбированного двигателя, советы по уходу ⋆ блог компании Turbovector

Эксплуатация турбины

Турбокомпрессор, установленный в авто, способен увеличить мощность двигателя путем улучшения наддува воздуха в цилиндры. Главными частями устройства являются воздушный насос и турбина. Правильная эксплуатация турбины продлевает срок работы всего механизма и снижает количество поломок.

Краткая информационная справка

Турбины классифицируются как механизмы:

• низкого давления;
• высокого давления.

Устройства из второй группы более эффективны, но выделяются сложным конструктивом.

Агрегаты подходят для любого типа двигателей:

• бензиновый;
• газовый;
• дизельный.

Кроме того, они успешно устанавливаются как на грузовых, так и на легковых авто. Изначальный ресурс агрегата достаточно высок, но эксплуатация двигателя с турбиной требует соблюдения ряда правил.

Особенности эксплуатации

При приобретении транспортного средства с турбодвигателем в Минске или любом другом городе владелец должен учитывать, что срок эксплуатации турбины значительно меньше, чем самого мотора. Поэтому именно она выйдет из строя первой. Но снизить количество поломок все-таки можно.

Краткая инструкция по эксплуатации турбины приведена в следующем списке:

• контроль за уровнем и качеством масла;
• правильный запуск;
• постепенная остановка двигателя.

Каждый пункт требует более полного раскрытия.

Несколько слов о масле

Устройство крайне чувствительно к недостатку смазочных материалов. Если масла не хватает, то агрегат сразу же прекращает работу в аварийном режиме. Поэтому перед любым запуском двигателя рекомендуется проверять количество масла в системе. Недостаток может возникнуть по различным причинам:

• проблемы с насосом;
• зазоры на коленчатом валу;
• грязный масляный фильтр;
• плохая проходимость подающей трубки.

Загрязненное масло тоже приводит к выходу турбины из строя. Нередко поломки происходят из-за попадания в состав инородных предметов.

Смешивать или менять рекомендованное производителем масло не рекомендуется. Это заметно снижает ресурс турбины. Особенно негативно реагирует агрегат на класс вязкости 0W-X. Такой смазочный материал вызовет многочисленные неисправности.

Запуск мотора

Многие водители увлекаются нажатием на газ при запуске двигателя. Это приводит к быстрому износу турбины, так как нормальный уровень давление достигается за считанные секунды. Поэтому автовладельцам рекомендуется научиться сразу же убирать ногу с педали после запуска.

Остановка двигателя

Если на авто установлена турбина, эксплуатация двигателя должна быть бережной. И в первую очередь это касается остановки – перед выключением мотору требуется поработать вхолостую 3-4 минуты для остывания турбины. В противном случае появляется карбоновый налет, выводящий агрегат из строя.

Чтобы быть на 100% уверенным в исправности турбины, не стоит пренебрегать регулярной диагностикой. Специалисты нашей компании проведут ее быстро и недорого, несмотря на тип и конфигурацию механизма.
Звоните! +375 (29) 123 59 55

Как работает турбокомпрессор | Cummins

Существенная разница между дизельным двигателем с турбонаддувом и традиционным бензиновым двигателем без наддува : воздух, поступающий в дизельный двигатель, сжимается перед впрыском топлива . Именно здесь турбокомпрессор имеет решающее значение для выходной мощности и эффективности дизельного двигателя.

Работа турбокомпрессора заключается в сжатии большего количества воздуха, поступающего в цилиндр двигателя. Когда воздух сжимается, молекулы кислорода собираются ближе друг к другу.Это увеличение количества воздуха означает, что для безнаддувного двигателя такого же размера можно добавить больше топлива. Это приводит к увеличению механической мощности и повышению общей эффективности процесса сгорания. Следовательно, размер двигателя может быть уменьшен для двигателя с турбонаддувом, что приведет к лучшей компоновке, преимуществам экономии веса и общей улучшенной экономии топлива.

Как работает турбокомпрессор?

Турбокомпрессор состоит из двух основных частей: турбины и компрессора.Турбина состоит из турбинного колеса (1) и корпуса турбины (2) . Корпус турбины направляет выхлопные газы (3) в рабочее колесо турбины. Энергия выхлопного газа вращает турбинное колесо, и затем газ выходит из корпуса турбины через выходную зону (4) .

Компрессор также состоит из двух частей: крыльчатки компрессора (5) и корпуса компрессора (6) . Принцип действия компрессора противоположен турбине.Колесо компрессора прикреплено к турбине валом из кованой стали (7) , и когда турбина вращает колесо компрессора, высокоскоростное вращение втягивает воздух и сжимает его. Затем корпус компрессора преобразует высокоскоростной воздушный поток низкого давления в воздушный поток высокого давления и низкого давления посредством процесса, называемого диффузией. Сжатый воздух (8) проталкивается в двигатель, позволяя двигателю сжигать больше топлива для выработки большей мощности.

1. Колесо турбины
2. Корпус турбины
3. Выхлопные газы
4. Площадь выхода выхлопных газов
5. Колесо компрессора
6. Корпус компрессора
7. Вал из кованой стали
8. Сжатый воздух

Узнайте, как работает Turbo

Основы турбокомпрессора

Ханну Яэскеляйнен, Магди К.Хаир

Это предварительный просмотр статьи, ограниченный некоторым исходным содержанием. Для полного доступа требуется подписка DieselNet.
Пожалуйста, войдите в систему , чтобы просмотреть полную версию этого документа.

Abstract : Турбокомпрессоры — это центробежные компрессоры, приводимые в действие турбиной выхлопного газа и используемые в двигателях для повышения давления наддувочного воздуха. Производительность турбокомпрессора влияет на все важные параметры двигателя, такие как экономия топлива, мощность и выбросы. Прежде чем перейти к более подробному обсуждению специфики турбокомпрессора, важно понять ряд фундаментальных концепций.

Конструкция турбокомпрессора

Турбокомпрессор состоит из колеса компрессора и колеса турбины выхлопного газа, соединенных сплошным валом и используемого для повышения давления всасываемого воздуха двигателя внутреннего сгорания. Турбина выхлопного газа извлекает энергию из выхлопного газа и использует ее для привода компрессора и преодоления трения. В большинстве автомобильных применений и компрессор, и турбинное колесо являются радиальными. В некоторых приложениях, таких как средне- и низкооборотные дизельные двигатели, можно использовать колесо турбины с осевым потоком вместо турбины с радиальным потоком.Поток газов через типичный турбокомпрессор с радиальным компрессором и турбинными колесами показан на Рисунке 1 [482] .

(Источник: Schwitzer)

Центр-Жилье. Общий вал турбина-компрессор поддерживается системой подшипников в центральном корпусе (корпусе подшипника), расположенном между компрессором и турбиной (Рисунок 2). Узел колеса вала (SWA) относится к валу с прикрепленными колесами компрессора и турбины, т.е.е., вращающийся узел. Узел вращения центрального корпуса (CHRA) относится к SWA, установленному в центральном корпусе, но без корпусов компрессора и турбины. Центральный корпус обычно отлит из серого чугуна, но в некоторых случаях может использоваться и алюминий. Уплотнения предотвращают попадание масла в компрессор и турбину. Турбокомпрессоры для систем с высокой температурой выхлопных газов, таких как двигатели с искровым зажиганием, также могут иметь охлаждающие каналы в центральном корпусе.

Турбонагнетатель отработавших газов бензинового двигателя в разрезе, показывающий колесо компрессора (слева) и колесо турбины (справа). Подшипниковая система состоит из упорного подшипника и двух полностью плавающих опорных подшипников. Обратите внимание на охлаждающие каналы.

(Источник: BorgWarner)

Подшипники турбокомпрессора

Подшипники. Система подшипников турбонагнетателя выглядит простой по конструкции, но она играет ключевую роль в ряде важных функций.К наиболее важным из них относятся: контроль радиального и осевого движения вала и колес и минимизация потерь на трение в подшипниковой системе. Подшипниковым системам уделяется значительное внимание из-за их влияния на трение турбокомпрессора и его влияние на топливную экономичность двигателя.

За исключением некоторых крупных турбонагнетателей для тихоходных двигателей, подшипники, поддерживающие вал, обычно расположены между колесами в выступе. Эта гибкая конструкция ротора гарантирует, что турбокомпрессор будет работать выше своей первой и, возможно, второй критических скоростей, и, следовательно, может подвергаться динамическим условиям ротора, таким как завихрение и синхронная вибрация.

Уплотнения. Уплотнения расположены на обоих концах корпуса подшипника. Эти уплотнения представляют собой сложную конструктивную проблему из-за необходимости поддерживать низкие потери на трение, относительно больших перемещений вала из-за зазора в подшипниках и неблагоприятных градиентов давления в некоторых условиях.

Эти уплотнения в первую очередь служат для предотвращения попадания всасываемого воздуха и выхлопных газов в центральный корпус. Давление во впускной и выпускной системах обычно выше, чем в центральном корпусе турбокомпрессора, который обычно находится на уровне давления в картере двигателя.По существу, они в первую очередь предназначены для уплотнения центрального корпуса, когда давление в центральном корпусе ниже, чем во впускной и выпускной системах. Эти уплотнения не предназначены для использования в качестве основного средства предотвращения утечки масла из центрального корпуса в выхлопную и воздушную системы. Попадание масла в контакт с этими уплотнениями обычно предотвращается другими средствами, такими как масляные дефлекторы и вращающиеся пальцы.

Уплотнения турбокомпрессора отличаются от мягких манжетных уплотнений, которые обычно используются во вращающемся оборудовании, работающем при гораздо более низких скоростях и температурах.Уплотнение с поршневым кольцом — это один из наиболее часто используемых типов уплотнений. Он состоит из металлического кольца, внешне похожего на поршневое кольцо. Уплотнение остается неподвижным при вращении вала. Иногда используются уплотнения лабиринтного типа. Обычно уплотнения вала турбонагнетателя не предотвращают утечку масла, если перепад давления меняется на противоположный, так что давление в центральном корпусе выше, чем во впускной или выпускной системах.

###

принципов | BorgWarner Turbo Systems

Чтобы лучше понять технику турбонаддува, полезно ознакомиться с принципами работы двигателя внутреннего сгорания.Сегодня большинство пассажиров легковые и коммерческие дизельные двигатели представляют собой четырехтактные поршневые двигатели, регулируемые впуском. и выпускные клапаны. Один рабочий цикл состоит из четырех ходов в течение двух полных. обороты коленчатого вала.

• Всасывание (ход перезарядки)
  Когда поршень движется вниз, воздух (дизельный двигатель или бензиновый двигатель с прямым впрыском) или топливно-воздушная смесь (бензиновый двигатель) всасывается через впускной клапан.
• Компрессия (рабочий ход)
  Объем цилиндра сжат.
• Расширение (рабочий ход)
  В бензиновом двигателе топливно-воздушная смесь воспламеняется от свечи зажигания, тогда как в топливо для дизельного двигателя впрыскивается под высоким давлением, и смесь самовоспламеняется.
• Выхлоп (ход перезарядки)
  Выхлопные газы удаляются при движении поршня вверх.

Эти простые принципы работы предоставляют различные возможности увеличения мощность двигателя:

Увеличение рабочего объема

Увеличение рабочего объема позволяет увеличить выходную мощность, поскольку больше воздух доступен в камере сгорания большего размера, и, таким образом, можно сжечь больше топлива. Это увеличение может быть достигнуто за счет увеличения количества цилиндров или объем каждого отдельного цилиндра.В общем, это приводит к большему и большему весу двигатели. Что касается расхода топлива и выбросов, то существенных можно ожидать преимуществ.

Увеличение оборотов двигателя

Еще одна возможность увеличения выходной мощности двигателя — увеличение его мощности. скорость. Это достигается за счет увеличения количества ударов в единицу времени. Потому что пределов механической стабильности, однако такое улучшение производительности ограничено.Кроме того, увеличение скорости приводит к увеличению потерь на трение и накачку. экспоненциально и КПД двигателя падает.

Турбонаддув

В описанных выше процедурах двигатель работает как безнаддувный. двигатель. Воздух для горения втягивается непосредственно в цилиндр во время всасывания. Инсульт. В двигателях с турбонаддувом воздух для горения уже предварительно сжимается. подается в двигатель.Двигатель всасывает такой же объем воздуха, но из-за с более высоким давлением в камеру сгорания поступает больше воздушных масс. Следовательно, может быть сожжено больше топлива, так что выходная мощность двигателя увеличивается по сравнению с та же скорость и стреловидность.

По сути, следует различать механический наддув и выхлопные газы. двигатели с турбонаддувом.

Механический наддув

При механическом наддуве воздух для горения сжимается компрессором. приводится непосредственно от двигателя.Однако прирост мощности частично теряется. из-за паразитных потерь от привода компрессора. Способность управлять механическим турбокомпрессор составляет до 15% мощности двигателя. Следовательно, расход топлива выше по сравнению с безнаддувным двигателем с той же выходной мощностью.

Турбонагнетатель выхлопных газов

При турбонаддуве выхлопных газов часть энергии выхлопных газов, которая обычно быть потраченным впустую, используется для привода турбины.Устанавливается на том же валу, что и турбина. представляет собой компрессор, который всасывает воздух для горения, сжимает его, а затем подает это к двигателю. Механической связи с двигателем нет.

Турбокомпрессор — обзор | Темы ScienceDirect

1 ВВЕДЕНИЕ

Турбокомпрессоры обычно оснащаются опорными подшипниками для поддержки турбин и узла ротора. Однако шарикоподшипники стали популярными в качестве замены опорных подшипников в турбонагнетателях.Ван (1) в своем обзоре технологии керамических подшипников указывает, что гибридные керамические подшипники могут обеспечить лучшую реакцию на ускорение, более низкие требования к крутящему моменту, более низкие вибрации и меньшее повышение температуры, чем опорные подшипники. Гибридные керамические шарикоподшипники содержат стальные внутреннее и внешнее кольца, керамические шарики и обычно обработанный сепаратор. Керамические шарики, по сравнению со стальными ответными частями, легче, гладче, жестче, тверже, устойчивы к коррозии и электрически. Эти фундаментальные характеристики позволяют значительно улучшить рабочие характеристики подшипниковой роторной системы.Керамические шарики особенно хорошо подходят для использования в суровых, высоких температурах и / или коррозионных средах. Поэтому гибридные керамические подшипники идеально подходят для турбонагнетателей. Miyashita et al. (2), Keller et al. (3) и Tanimoto et al. (4) использовали шарикоподшипники в небольших автомобильных турбокомпрессорах. Тем не менее, проблемы все еще остаются для высокоскоростных турбонагнетателей с большой выходной мощностью, для которых требуются подшипники с большим внутренним диаметром, работающие с номинальным диаметром более 2 миллионов. По мере увеличения размера подшипника динамика роторной системы подшипников становится критической для комплексного проектирования и удовлетворительной работы турбокомпрессора.

Исследователи попытались аналитически проанализировать динамику роторной системы турбокомпрессора. San Andrés et al. (5,6,7) представили комплексные модели для прогнозирования динамики турбокомпрессора. Включение полной модели подшипника с жидкостной пленкой позволило понять влияние динамики подшипника на динамику турбокомпрессора. Bou-Said et al. (8) также исследовали динамику ротора турбонагнетателя с линейными и нелинейными аэродинамическими моделями подшипников. Петтинато и др. (9) продемонстрировали преимущества таких динамических моделей ротора турбокомпрессора, используя их для улучшения конструкции подшипников, используемых в турбокомпрессоре.Бонелло (10) реализовал нелинейную модель для исследования динамики турбокомпрессора на полностью плавающих и полуплавающих кольцевых подшипниках. Однако большая часть работы над динамическими моделями ротора турбокомпрессора была сосредоточена на турбокомпрессорах с опорными подшипниками. Поэтому эти модели не могут предсказать динамику ротора турбокомпрессоров, в которых используются подшипники качения. Тем не менее, исследователи попытались разработать аналитические модели для изучения динамики простых роторных систем с подшипниками качения.Гупта (11-13) был одним из первых, кто представил трехмерную динамическую модель подшипника. Разработанная модель была способна анализировать движение всех компонентов подшипника. Meyer et al. (14) представили влияние дефектов на подшипник и продемонстрировали характер колебаний, связанных с дефектами. Saheta et al. (15) и Ghaisas et al. (16) представили полностью динамическую модель дискретных элементов с шестью степенями свободы. В их моделях компоненты подшипников рассматриваются как части сфер и цилиндров, что значительно сокращает вычислительные затраты, связанные с динамическим моделированием подшипников.Sopanen et al. (17, 18) разработали модель подшипника, учитывающую влияние включений. Однако в их анализе динамика клетки и центробежные нагрузки не учитывались. Аштекар и др. (19, 20) разработали модель подшипника с шестью степенями свободы, которая учитывала эффекты дефектов поверхности подшипника. В целом предыдущие исследователи сосредоточились на динамике подшипников и проигнорировали сложное взаимодействие роликовых подшипников с системой вал / ротор. Однако для полного понимания и изучения высокоскоростных турбонагнетателей с большой выходной мощностью критически важно объединить влияние подшипников и динамики вала / ротора.В высокоскоростных приложениях ротор претерпевает различные формы колебаний, что приводит к сложному движению несущей системы ротора. Lim et al. (21) и Hendrikx et al. (22) разработали модель подшипника, учитывающую эффекты гибкости ротора; однако они пренебрегли влиянием сепаратора подшипника на динамику системы. Тивари (23, 24) рассмотрел влияние дисбаланса и предварительного нагружения подшипников на динамику ротора, однако была рассмотрена упрощенная модель идеального подшипника и предполагалось, что ротор является жестким.Пренгер (25) представил модель подшипника, способную моделировать конические роликоподшипники и радиально-упорные подшипники. Модель Пренгера включала эффект гибких валов; однако рассматривались только простые модели вала, и эта модель не могла работать с высокоскоростными приложениями. Программное обеспечение BEAST, разработанное Stacke et al (26), как известно, учитывает гибкость ротора; однако ни модель, ни результаты не являются общедоступными.

В этом исследовании была разработана модель, представляющая систему подшипникового ротора турбокомпрессора.Модель сочетает в себе модель подшипника с дискретным элементом и модель гибкого ротора для имитации динамики системы подшипника ротора. Затем модель использовалась для исследования движения каждого компонента подшипника и определения сил и прогиба ротора в зависимости от различных условий эксплуатации. Результаты модели были использованы для исследования характеристик подшипников при различных предварительных нагрузках, дисбалансе ротора и рабочих скоростях.

Конструкция и принцип действия турбокомпрессора — турбина

Турбонагнетатель основные функции принципиально не изменились со времен Альфреда Бюхи.Турбокомпрессор состоит из компрессора и турбины, соединенных общим валом. Турбина с приводом от выхлопных газов обеспечивает приводную энергию для компрессора.

Дизайн и функционирование

Турбина турбонагнетателя, состоящая из турбинного колеса и корпуса турбины, преобразует выхлопные газы двигателя в механическую энергию для привода компрессора. Газ, который ограничен площадью поперечного сечения потока турбины, приводит к при перепаде давления и температуры между входом и выходом.Это падение давления преобразуется турбиной в кинетическую энергию для привода турбинного колеса.

Есть два основных типа турбин: осевые и радиальные. В осевом типе, поток через колесо идет только в осевом направлении. В радиальных турбинах приток газа центростремительный, т.е.в радиальном направлении снаружи внутрь, и газ отток в осевом направлении.

До диаметра колеса около 160 мм используются только радиальные турбины.Этот соответствует мощности двигателя примерно 1000 кВт на турбокомпрессор. От 300 мм и более используются только осевые турбины. Между этими двумя значениями оба варианта возможны.

Поскольку турбина с радиальным потоком является наиболее популярным типом для автомобильной промышленности, следующее описание ограничено конструкцией и функциями этой турбины. тип. В улитке таких радиальных или центростремительных турбин давление выхлопных газов преобразуется в кинетическую энергию и выхлопные газы по окружности колеса направлен с постоянной скоростью к турбинному колесу.Передача энергии от кинетической энергия на валу происходит в турбинном колесе, которое сконструировано таким образом, чтобы почти вся кинетическая энергия преобразуется к тому времени, когда газ достигает колеса торговая точка.

Рабочие характеристики

Производительность турбины увеличивается по мере падения давления между входом и выходом. увеличивается, т. е. когда больше выхлопных газов забивается перед турбиной в результате более высоких оборотов двигателя, или в случае повышения температуры выхлопных газов из-за к более высокой энергии выхлопных газов.

Характерное поведение турбины определяется удельным поперечным сечением потока, поперечное сечение горловины в зоне перехода впускного канала к спиральной камере. За счет уменьшения этого поперечного сечения горловины больше выхлопных газов задерживается выше по потоку. турбина и производительность турбины увеличивается в результате более высокого давления соотношение. Таким образом, меньшее поперечное сечение потока приводит к более высокому давлению наддува.
Площадь поперечного сечения потока турбины может быть легко изменена путем замены турбины. Корпус.

Помимо площади проточного сечения корпуса турбины, площадь выхода на колесо Впуск также влияет на пропускную способность турбины по массе. Обработка турбины Литой контур колеса допускает площадь поперечного сечения и, следовательно, давление наддува, быть отрегулированным. Увеличение контура приводит к увеличению площади поперечного сечения потока. турбины.

Турбины с изменяемой геометрией турбины изменяют поперечное сечение потока между улитками. канал и вход колеса. Площадь выхода на турбинное колесо изменяется на переменную направляющие лопатки или регулируемое скользящее кольцо, закрывающее часть поперечного сечения.

На практике рабочие характеристики турбин турбонагнетателя отработавших газов описываются картами, показывающими параметры потока в зависимости от давления в турбине. соотношение.Карта турбины показывает кривые массового расхода и КПД турбины для различные скорости. Чтобы упростить карту, кривые массового расхода, а также КПД, можно показать средней кривой

Для высокой общей эффективности турбокомпрессора согласование компрессора и Диаметр турбинного колеса имеет жизненно важное значение. Положение рабочей точки на карте компрессора определяет частоту вращения турбокомпрессора. Диаметр турбинного колеса должен быть таким, чтобы КПД турбины был максимальным в этом рабочем диапазоне.

Турбины двухступенчатые

Турбина редко подвергается постоянному давлению выхлопных газов. В импульсном режиме с турбонаддувом коммерческие дизельные двигатели, турбины с двойным входом позволяют снизить пульсации выхлопных газов. оптимизирован, поскольку более высокий коэффициент давления турбины достигается за более короткое время. Таким образом, за счет увеличения степени сжатия эффективность повышается, улучшая очень важный временной интервал, когда через него проходит высокий, более эффективный массовый расход турбина.В результате этого улучшенного использования энергии выхлопных газов двигатель характеристики давления наддува и, следовательно, характеристики крутящего момента улучшаются, особенно при низких оборотах двигателя.

Турбокомпрессор с двухкамерной турбиной

Чтобы различные цилиндры не мешали друг другу во время зарядки В циклах обмена три цилиндра соединены в один выпускной коллектор.Двойной вход Затем турбины позволяют отдельно пропускать поток выхлопных газов через турбину.

Кожухи турбины водяного охлаждения

Турбокомпрессор с корпусом турбины с водяным охлаждением для морского применения

При проектировании турбокомпрессора необходимо также учитывать аспекты безопасности. На корабле Например, в машинном отделении следует избегать горячих поверхностей из-за опасности возгорания.Поэтому корпуса турбин с водяным охлаждением или корпуса турбин, покрытые изоляционным материалом. материал используется для морских применений.

Турбокомпрессоры — давление наддува и привода

До того, как дизельные двигатели с турбонаддувом появились на рынке грузовиков, у вас было немного выбора. Либо вы купили 6,9-литровый двигатель IDI F-серии (мощностью 170 или 180 л.с.), либо 130-сильный 6,2-литровый Chevrolet C / K-серии. По состоянию на 2009 год Chevy, Dodge и Ford предлагают пакеты мощностью 350 л.с. и более, при этом соблюдая гораздо более строгие стандарты выбросов.На вторичном рынке также применяется турбонаддув, а мощность в 500 с лишним лошадиных сил становится повседневной нормой. Турбонаддув — самая большая причина, по которой современные дизели могут достичь таких уровней мощности, поэтому, имея в виду эту историю, давайте более подробно рассмотрим, как работает самая важная часть вашего двигателя.

Основы
В среднем в день давление воздуха на уровне моря составляет около 14,7 фунтов на квадратный дюйм (psi). Когда двигатель имеет турбонаддув, турбонагнетатель действует как вентилятор с очень высокой скоростью вращения, который нагнетает больше воздуха в двигатель.Величина давления, которое может создать турбонагнетатель, измеряется в фунтах на квадратный дюйм выше атмосферного давления. Таким образом, двигатель с турбонаддувом и 15 фунтами наддува будет перемещать примерно вдвое больше воздуха, чем двигатель без наддува, и при прочих равных условиях будет производить примерно вдвое большую мощность. С новыми дизелями давление наддува может достигать 40 фунтов на квадратный дюйм, но двигатель останется надежным и в три-четыре раза превосходит мощность дизельного двигателя без наддува.

Как работает турбина
Турбокомпрессор в своей основной форме состоит всего из нескольких частей: рамы, вала, компрессора, турбины, а также корпуса компрессора и выхлопной системы.Выхлопные газы двигателя используются для вращения турбины, которая, в свою очередь, приводит в движение компрессор через общий вал, который создает давление наддува, которое направляется в двигатель. Эти типы турбин успешно используются с 1920-х годов в гоночных и дизельных двигателях.

Давление наддува и привода
Хотя мы уже ввели давление наддува, другим важным аспектом турбонаддува является давление привода. Давление привода — это сила (в фунтах на квадратный дюйм), которая используется для вращения турбокомпрессора. Отношение давления привода к давлению наддува 1: 1 является идеальным, хотя в действительности давление привода обычно немного выше, чем давление наддува. Если возникает ситуация, когда давление привода намного превышает давление наддува (скажем, давление наддува 35 фунтов на квадратный дюйм, давление привода 65 фунтов на квадратный дюйм), вы можете столкнуться с проблемой.Чтобы сымитировать ситуацию с высоким давлением вождения, попробуйте вдохнуть нормальным дыханием, затем закройте рот рукой и выдохните. Это то, что вы делаете со своим двигателем. Высокое давление привода плохо влияет на детали и снижает эффективность вашего турбокомпрессора.

Слишком сильный наддув также может быть проблемой для турбокомпрессоров. Чтобы обеспечить большее ускорение, турбины будут вращаться быстрее, и у каждого турбокомпрессора есть место, где он просто не может вращаться быстрее. Например, если у вас есть HX35 (встречается на ’94-98 1/2 Dodges), он может производить только около 40 фунтов на квадратный дюйм, прежде чем превышение скорости станет угрозой.Если вы используете давление наддува 45 фунтов на квадратный дюйм или более на HX35 в течение длительного периода времени, ваш турбокомпрессор почти наверняка выйдет из строя.

Внутренние и внешние заслонки сброса давления и турбо-лагИдея заключалась в том, что, поскольку эти грузовики в основном использовались для перевозки грузов, особого ответа не требовалось. Поскольку грузовики стали популярными в повседневной жизни, потребность в более эффективных турбокомпрессорах стала необходимостью. Есть время, которое проходит от момента, когда вы наполняете свой дизельный двигатель, до момента, когда он начинает создавать изрядное количество наддува (скажем, 10-15 фунтов на квадратный дюйм). Этот период времени называется турбо-лагом.

Чтобы уменьшить турбо-задержку, Dodge и другие производители начали использовать выхлопные корпуса гораздо меньшего размера и сбрасывать газы в турбокомпрессорах за счет отвода выхлопных газов вокруг колеса турбины.Меньший корпус выхлопа помог бы турбонагнетателю быстрее набирать обороты, в то время как перепускная заслонка позволяла стравливать избыточное давление привода, когда турбонагнетатель набирал скорость. Когда дизельные грузовики модифицируются для производства большего количества топлива или более высоких оборотов, количество выхлопных газов может превышать пропускную способность внутреннего перепускного клапана. В этом случае можно установить более крупный выпускной корпус или добавить к турбо-системе внешний перепускной клапан, установленный в выпускном коллекторе. Следует отметить, что не все турбокомпрессоры являются перепускными.В соревнованиях, например, при буксировке салазок, двигатель может работать только в очень узком рабочем диапазоне (скажем, 3500–5000 об / мин). Если управляемость не вызывает беспокойства, эти гоночные двигатели могут уйти с корпусом без перепускных клапанов и по-прежнему иметь благоприятное соотношение давления наддува и привода.