Принцип работы турбонаддува бензинового двигателя: Принцип работы турбины на бензиновом двигателе

Содержание

Принцип работы турбонаддува

Выше, дальше, сильнее, быстрее… Больше ста лет изобретатели и рационализаторы пытаются приручить двигатель внутреннего сгорания и получить от него максимальную мощность при минимальном потреблении топлива. Собственно, все это, тех же сто лет назад, предложил электродвигатель, но ему пришлось подвинуться. Тем не менее, одним из самых продуктивных изобретений для увеличения крутящего момента ДВС остается турбонаддув. О его конструкции всерьез задумывались еще Рудольф Дизель вместе с Готтлибом Даймлером, но в конце 19 века не нашлось ни сил, ни возможности на реализацию этой идеи.

Содержание:

Зачем нужен наддув
Технологии турбонаддува вчера и сегодня
Проблемы турбонаддува в бензиновом двигателе
Дизель и турбонаддув

Зачем нужен наддув

Если не слишком углубляться в историю, то уже к 1905 году мощность двигателей внутреннего сгорания вплотную подбиралась к сотне лошадиных сил.

Как следствие, росли объемы моторов, размеры автомобильных шасси, но самым страшным врагом скорости был вес. Тяжелый двигатель на тяжелом шасси съедал сам себя. Чем мощнее был мотор, тем больше был его объем, а следовательно, и вес, и расход топлива. Поэтому-то и возникла необходимость в устройстве, которое смогло бы поднять мощность без прироста веса и увеличения расхода топлива. А это положительно сказалось бы на скоростных показателях автомобиля, к чему тогда в основном и стремились.

Было придумано масса всяких устройств, среди которых были и абсурдные конструкции, но одна идея все-таки получила воплощение и была подкреплена патентом «1006907 October 1911 Buсhi». Она принадлежала швейцарскому инженеру Альфреду Бьюхи и была проста, как песня альпийского пастуха. Заключалась она в следующем: двигатель внутреннего сгорания представляет собой насос, который самостоятельно всасывает рабочую смесь в камеру сгорания. только происходит это страшно неэффективно, потому что на пути у воздуха встает масса преград — воздушные фильтры, кожухи, резкие повороты впускных коллекторов и остые грани не аэродинамичных впускных клапанов.

Не говоря уже о неточностях соединений и паразитных завихрениях во впускном тракте. Для того чтобы воздуха в дизеле, а в бензиновом моторе, смеси, поместилось как можно больше, необходимо создать дополнительное давление. Так появится возможность повысить эффективность энергии взрыва в камере сгорания. Все это позволяло изобретение Бьюхи, которое сегодня называют турбонаддувом.

Технологии турбонаддува вчера и сегодня

В начале ХХ века технологии просто не позволяли изготовить настолько точный и производительный прибор, который обеспечивал бы достойный прирост мощности, да и сам двигатель не был готов к такому обновлению. Средний ресурс мотора тогда был на уровне 20 тысяч км, поэтому ни о каких дополнительных примочках речи быть не могло. Турбонаддув начал появляться только в 30-е годы на самых дорогих автомобилях, и то, в качестве эксперимента. Принцип работы турбонаддува с тех пор не изменился. Это обычный центробежный насос с таким алгоритмом работы: турбина приводится в движение выхлопными газами, а на одной оси с приводной турбиной стоит нагнетательная.

Она и нагнетает в камеру сгорания воздух под высоким давлением. Со временем конструкция стала обрастать новыми подробностями, но в общих чертах, нагнетатель состоит из:

корпуса;
вала;
двух крыльчаток, жестко прикрепленных к валу;
ограничительного клапана, который контролирует обороты турбины.

Клапан просто необходим, потому что без него могут возникнуть неконтролируемые процессы в двигателе, схожие по эффекту с детонацией. Чем больше выхлопных газов проходит через ведущую турбину, тем быстрее она вращается, и тем сильнее давление в камере сгорания. Бесконечно так продолжаться не может, поэтому поток выхлопных газов необходимо контролировать. Для этого и установлен ограничительный клапан.

А одним из первых автомобилей, на которые устанавливали турбонаддув был Oldsmobile Jetfire. Вот этот красавец.

Проблемы турбонаддува в бензиновом двигателе

125% прироста мощности. Эту цифру заявили еще тогда, когда испытали первый турбонаддув в начале века. КПД наддутых двигателей продолжает расти, поскольку применяются новые материалы для подшипников турбины, снижающие ее вес и уменьшающие сопротивление качения. Это дает возможность тратить на вращение турбины еще меньшее количество энергии, меньше топлива и получать выше КПД.

Только есть у бензинового двигателя с турбиной один нюанс — турбояма. Это значит, что до определенных оборотов турбина вращается почти вхолостую, а после 3-3,5 тысяч начинает работать все активнее, подхватывает динамичнее, и чем выше будут обороты мотора, тем выше его КПД. Переход происходит не слишком мягко, поэтому турбины до 60-х годов ставили только на спортивные машины. Водитель явно был ориентирован на спортивный стиль вождения и был готов к такому повороту событий. Сейчас с этим борются, устанавливая две турбины разных размеров или две одинаковых, тогда такую систему называют битурбо.

Дизель и турбонаддув

Дизельные моторы просто созданы для турбонаддува по двум причинам как минимум:
температура выхлопных газов гораздо ниже, чем у бензиновых;
степень сжатия у дизельного двигателя гораздо выше, чем у бензинового, поэтому турбина работает эффективнее.
Кроме того, практически все эксперименты над турбинами проводятся именно на дизельных двигателях, потому что температура прогрева турбины меньше, а это значит, что материалы, применяемые для изготовления турбины, могут быть попроще, чем для бензиновой. Практически все новшества, такие, как турбина с изменяемой геометрией, были опробованы именно на дизельных серийных двигателях.

Турбина имеет светлое будущее и ей еще есть куда развиваться. Она недостаточно надежна, а моторы с турбонаддувом, хоть и имеют высокий КПД, расплачиваются повышенным расходом топлива. Для спортивных автомобилей пока альтернативы нет. Только турбина может дать такой прирост мощности и такое увеличение крутящего момента. Вовремя охлаждайте свои турбины, не превышайте давления, и удачных всем дорог!

Читайте также Ремонт топливного насоса высокого давления дизельного двигателя

что это такое? Принцип работы турбонаддува

Турбонаддув предстваляет собой устройство которое подаёт воздух в рабочие цилиндры под давлением используя энергию отработанных газов.

В настоящее время наиболее рационально использовать именно турбонаддув если перед вами стоит цель увеличить мощность двигателя без увеличения его объёма и количества оборотов коленвала. Также турбонаддув увеличивает экологические показатели двигателя за счёт более полного сгорания топлива.

Системы турбонаддува могут применяться как на бензиновых, так и на дизельных двигателях. Наибольшую эффективность имеет турбонаддув на «дизеле», т.к. коленвал имеет невысокую скорость вращения и двигатель имеет высокую степень сжатия. Сложность применения турбонаддува на бензиновых двигателях является возможность появления детонации при резком увеличении количества оборотов коленвала, а также с более высокой температурой отработанных газов что приводит к нагреву турбонаддува.

Видео — изготовление турбокомпрессора

Турбонаддув в большинстве случаев состоит из:
1.    Воздухозаборника
2.    Воздушный фильтр
3.    Дроссельная заслонка
4.    Турбокомпрессор
5.    Впускной коллектор
6.    Соединительные трубки и напорные шланги
7.    Управляющие элементы

Многие элементы турбокомпрессора являются типовыми деталями ( элементами) впускной системы. Также турбонаддув имеет интеркулер и турбокомпрессор. Турбокомпрессор, его часто называют турбонагнетатель, является основным элементом турбонаддува. Он повышает давление воздуха во впускной системе.

В состав турбокомпрессора входят следующие детали:
1.    Турбинное колесо
2.    Корпус турбины
3.    Компрессорное колесо
4.    Корпус компрессора
5.    Вал ротора
6.    Корпус подшипников

Турбинное колесо принимает на себя всю энергию отработанных газов. Она вращается в корпусе, который имеет специальную форму. Всё это изготавливает из жаропрочных материалов.

Компрессорное колесо всасывает воздух, затем его сжимает и нагнетает в цилиндры. Оно также вращается в специальном корпусе.

Турбинное и компрессорное колесо закрепляется на валу ротора, вал опирается на подшипники скольжения. Подшипники плавающего типа, т.е. имеются зазоры между корпусом и валом. Смазывание подшипников происходит моторным маслом из системы смазывания двигателя. Масло подаётся по специальным каналам в корпусе подшипников.

В некоторых бензиновых двигателях в дополнение к смазке применяют и жидкостное охлаждение турбонагнетателей. В таком случае корпус турбонагнетатель подключён к двухконтурной системе охлаждения двигателя.

Регулятор давления наддува является основным элементом управления турбонаддува . Регулятор давления представляет собой перепускной клапан, который ограничивает энергию отработанных газов. Часть их отработанных газов направляет в обход турбинного колеса. Это и обеспечивает оптимальное давление. Клапан может иметь пневмо- либо электро- привод. Срабатывание клапана производится путём подачи сигнала датчика давления системой управления двигателем.

После компрессора может стоять предохранительный клапан. Он предохраняет систему от скачков давления если вдруг дроссельная заслонка закроется. Избыточное давление стравливается в атмосферу булл-офф клапаном или пускается на вход компрессора байпас-клапаном.

Принцип работы турбокомпрессора

Выхлопные газы вращают турбинное колесо, а оно с помощью вала ротора крутит компрессорное колесо. Оно сжимает воздух и подаёт его в систему. Затем воздух поступает в интеркулер где охлаждается, а затем поступает в цилиндры. Минусом такой конструкции является то, что при малых оборотах коленвала энергии отработанных газов недостаточно чтобы вращать турбину.

Турбонаддув имеет следующие негативные особенности:
1. Задерживается увеличение мощности при резком нажатии на газ, её ещё называют турбоямой.
2. Давление наддува резко увеличивается при преодолении турбоямы.

Избежать турбоямы можно избежать следующим образом: применить турбонаддув с изменяемой геометрией, использовать 2 параллельных или последовательных турбокомпрессора, использовать комбинированный турбонаддув.

Турбина с изменяемой геометрией оптимизирует поток отработанных газов за счёт изменения площади входного канала. Широкое применение получили в турбинах дизельных двигателей.

Система с двумя параллельными турбинами (twin-turbo) — наибольшее применение получила на мощных V- образных двигателях. Работа основана на том что 2 турбины имеют меньшую инерционность, чем одна большая.

Две последовательные турбины (bi-turbo) — принцип работы основан на использовании различных турбин на разных оборотах двигателя. Некоторые производители в целях ещё большого увеличения мощности устанавливают 3, а то и 4 турбины. Очень часть Bi-turbo можно увидеть на автомобилях Ауди, например на Audi Allroad c бензиновым двигателем объемом 2700 см3.

Комбинированный турбонаддув (twincharger)- сочетает в себе механический наддув и турбонаддув. На низких оборотах работает нагнетатель с механическим приводом. По мере роста оборотов подключается турбонаддув, а механический нагнетатель отключается, такую систему имеет двигатель «Фольксванген» TSI.

< Назад
Вперёд >

Как работает турбо? Объяснение принципа работы турбокомпрессора

Термин «турбокомпрессор» знаком вам, когда вы говорите о гоночных автомобилях и высокопроизводительных спортивных автомобилях. Их также нередко можно найти в более крупных дизельных двигателях. Турбина — это устройство, которое может увеличить мощность двигателя без увеличения его веса. Как работает турбо и делает ли это возможным? И какие особенности сделали их такими популярными?

Что такое турбонагнетатель?

Люди из 1980-х, вероятно, лучше знакомы со словом «турбо», потому что в то время оно применялось ко многим продуктам, таким как турбоскейтборды, турбобритвы и многое другое. Но это не то, что произвело революцию в автомобильной промышленности.

Турбокомпрессор представляет собой приводную от турбины машину с принудительной индукцией, которая повышает эффективность и выходную мощность двигателя внутреннего сгорания за счет подачи дополнительного воздуха в камеру сгорания.

Если это кажется немного сложным для понимания как работает турбо , возьмите пример с того, что двигатель работает на смеси топлива и воздуха. Когда турбонагнетатель подает в камеру больше воздуха, он смешивается с большим количеством топлива, в результате чего вырабатывается больше мощности. Он переправляет воздух, сжимая его, используя энергию выхлопных газов, выходящих из двигателя.

Турбодвигатель. Источник: Fast Car

Различные типы турбонагнетателей?

В автомобильной промышленности используются различные типы турбокомпрессоров:

Одиночный турбонагнетатель

Говоря об одинарных турбонагнетателях, большинство людей думают о нем как о турбокомпрессоре. Автомеханики, изменяя размер элемента внутри турбины, могут создавать различные характеристики крутящего момента. В то время как маленькие турбины могут увеличить мощность на низких оборотах и быстрее вращаться, большие турбины повышают уровень максимальной мощности. Оба они являются экономически эффективными инструментами повышения эффективности и мощности двигателя. Не говоря уже о том, что благодаря небольшому размеру они позволяют двигателям меньшего размера повысить рабочие характеристики по сравнению с двигателями большего размера. Недостатком Single-Turbo является то, что он может хорошо работать только в узком диапазоне оборотов. Другим недостатком является то, что будет турбо-задержка до того, как турбо начнет работать.

Twin-Turbo

Как и в названии, на двигатель установлен второй турбонагнетатель. Таким образом, второй турбонаддув обеспечивает более высокую мощность и более широкий диапазон оборотов. Чтобы быть более конкретным, меньшая турбина работает на низких оборотах, а большая — на более высоких. В результате твин-турбо отличается высокой сложностью и стоимостью.

Турбокомпрессор с изменяемой геометрией

Турбокомпрессор с изменяемой геометрией, или VGT, представляет собой кольцо из лопаток аэродинамической формы, установленных внутри турбины. Эти внутренние лопасти вращаются с целью изменения угла закрутки газа. Наиболее впечатляющей особенностью турбокомпрессора с изменяемой геометрией является способность согласовать площадь турбины с радиусом оборотов двигателя для поддержания максимальной производительности. В результате это может уменьшить турбо-задержку и сгладить диапазон крутящего момента. С другой стороны, VGT ограничен в применениях с бензиновыми двигателями. Причиной этого являются комплектующие из экзотических материалов. Это требование, поскольку VGT должен выдерживать высокие температуры выхлопных газов. По этой причине это исключает возможность присоединения VGT к роскошным двигателям.

Турбокомпрессор с изменяемой геометрией и двойной спиралью

Этот турбокомпрессор, также называемый VTS, сочетает в себе турбокомпрессор с изменяемой геометрией и турбонагнетатель с двойной спиралью. В этой специальной комбинации регулируемый турбокомпрессор с двойной спиралью представляет собой более надежную альтернативу, а также более дешевую для владельцев автомобилей.

Электрические турбокомпрессоры

Если вы ищете решение для удаления турбоямы, электрический турбокомпрессор — ваше главное оружие. Помогая турбокомпрессорам там, где обычный турбокомпрессор не самый лучший, электрический турбокомпрессор работает за счет добавления электродвигателей, вращающих компрессор турбокомпрессора до тех пор, пока мощность от объема выхлопных газов не станет достаточно высокой для запуска турбокомпрессора. И это самый совершенный турбокомпрессор, так как он решает все проблемы обычных турбокомпрессоров.

Как работает турбо?

Принцип работы турбокомпрессора почти аналогичен реактивному двигателю. Реактивный двигатель поглощает холодный воздух через переднюю часть, выталкивает его в камеру для смешивания и сжигания с топливом, а затем выбрасывает горячий воздух через заднюю сторону.
Когда горячий воздух выходит из двигателя, он вращает турбину, которая, в свою очередь, приводит в действие воздушный насос или компрессор, расположенный в передней части двигателя. Он нагнетает воздух в двигатель и обеспечивает правильное сгорание топлива.

Как работает турбо в двигателе автомобиля? Он использует почти тот же принцип реактивного двигателя. Он состоит из двух основных частей – турбины и компрессора. Когда одна часть вращается, другая вращается вместе с ней, потому что они связаны друг с другом. Выхлопные газы выбрасываются из двигателя, когда топливо сгорает внутри камеры сгорания. Газы спускаются в трубу и вращают турбину, которая вращается со значительно большими скоростями и заставляет компрессор (который на самом деле является турбиной в обратном направлении) вращаться. Эта цепочка действий накачивает больше воздуха в цилиндр двигателя, позволяя сжигать больше топлива и производить больше мощности каждую секунду.

Может возникнуть вопрос, почему турбокомпрессоры не перегреваются, несмотря на то, что они работают при экстремальных температурах и выдерживают огромные нагрузки. Ответ — интеркулер. С каждым турбокомпрессором имеется промежуточный охладитель, который охлаждает нагнетаемый горячий воздух. Система охлаждения масла заботится о турбине и не дает ей перегреваться.

Почти все современные автомобили с дизельными двигателями оснащены турбонагнетателями, потому что дизельные двигатели прочнее бензиновых и имеют более простые впускные коллекторы.

Как работает турбонагнетатель? (Кратко)

Чтобы кратко объяснить, пошаговые процедуры как работает турбонаддув :

Воздухозаборник двигателя всасывает холодный воздух и направляет его в компрессор.
Компрессор сжимает поступающий воздух и нагревает его. Затем выдувает горячий воздух.
Горячий воздух охлаждается при прохождении теплообменника и поступает в воздухозаборник цилиндра.
Холодный воздух сгорает внутри камеры сгорания быстрее из-за переноса большего количества кислорода.
Из-за сжигания большего количества топлива выход энергии будет увеличиваться быстрее, и двигатель сможет передавать больше мощности на колеса.
Горячие отработанные газы покидают камеру и проходят мимо турбины на выпускном отверстии.
Турбина вращается с высокой скоростью и раскручивает компрессор, так как оба установлены на одном валу.
Выхлопные газы покидают автомобиль через выхлопную трубу. Они тратят меньше энергии, чем двигатель без турбонагнетателя.

VW Beetle использует двигатель с турбонаддувом. Источник: VW

Каковы преимущества турбокомпрессоров?

Дополнительная мощность, безусловно, является ключевым преимуществом турбокомпрессоров, но это не единственное их преимущество. Еще одним выгодным преимуществом является топливная экономичность. Двигатель с турбонаддувом использует гораздо меньше топлива для производства той же мощности по сравнению со стандартными двигателями.

По этой причине Ford использует в некоторых своих моделях 1,0-литровый турбодвигатель вместо 1,6-литрового бензинового двигателя. Точно так же вы увидите 4-цилиндровый двигатель с турбонаддувом вместо 6-цилиндрового и V6 с турбонаддувом, заменяющий V8 во многих новых моделях.

Автомобили с турбонаддувом на самом деле лучше, чем обычные автомобили с бензиновым двигателем, потому что они потребляют меньше топлива и сжигают масло более чисто, чтобы меньше загрязнять воздух.

Еще одним преимуществом использования турбокомпрессоров является то, что они позволяют двигателю развивать больший крутящий момент в более низком диапазоне оборотов, что дает автомобилю преимущество при движении по городу. Дополнительный крутящий момент пригодится для легкого зажима зазоров.

Еще одним преимуществом двигателей с турбонаддувом является их тихий характер. Они амортизируют звук впуска и позволяют автомобилю ездить по улицам, не издавая раздражающих звуков.

УЗНАТЬ БОЛЬШЕ

Различия между 4- и 6-цилиндровыми двигателями
Замечательные цитаты из фильмов о машинах!

Турбокомпрессор в сравнении с нагнетателем

Если вы понимаете как работает турбокомпрессор , вы также поймете принцип работы нагнетателя. Оба устройства выполняют одну и ту же работу — производят больше энергии из двигателя автомобиля. Однако принцип их работы разный. Турбина работает, когда выхлопные газы вращают турбину, а нагнетатель вырабатывает мощность от вращающегося коленчатого вала. Этот принцип работы на самом деле менее эффективен, потому что он использует энергию двигателя автомобиля, в то время как турбо использует потраченную впустую энергию.

Автомобиль с двигателем с нагнетателем. Источник: DriveTribe

. Тем не менее, нагнетатели могут обеспечить лучшую реакцию дроссельной заслонки из-за их более прямого и механического соединения с двигателем. В отличие от турбо, здесь нет задержки отклика.

Какие модели автомобилей оснащены турбодвигателем?

Автомобили с дизельным двигателем в основном имеют двигатель с турбонаддувом. Кроме того, большинство автопроизводителей имеют в своей линейке продукции одну или две модели с турбонаддувом. Например, Renault-Nissan обозначил свои турбодизельные двигатели как dCi, а турбобензиновые — как TCi, то есть TDI и TSI для Volkswagen и TDCI и Ecoboost для Ford соответственно.

Надеюсь, эта статья будет вам полезна. Если у вас есть какие-либо вопросы по машине, не стесняйтесь оставлять нам комментарии в поле ниже, мы ответим на них для вас.

Часто задаваемые вопросы

Преимущества турбокомпрессоров привлекательны для многих водителей и владельцев автомобилей. По этой причине вопросы об этой удивительной автомобильной детали различны. Наши автомобильные эксперты помогут вам ответить на следующие наиболее распространенные вопросы, чтобы обеспечить лучшее понимание:

Кто изобретатель турбокомпрессора?

Альфред Дж. Бюхи (1879–1959) — отец этой невероятной автомобильной детали. Он работает автомобильным инженером в компании Gebrüder Sulzer Engine Company в Винтертуре, Швейцария. Альфред создал турбокомпрессор перед Первой мировой войной и опубликовал его в Германии в 1905 году. Его вклад в турбокомпрессор настолько велик, что он продолжал улучшать его конструкцию до самой своей смерти.

В чем недостаток двигателей с турбонаддувом?

Самый главный недостаток турбодвигателя — расход топлива. Поскольку компрессор нагнетает в камеру сгорания больше воздуха, чем двигатель, использующий только атмосферное давление, в двигатель будет отправлено больше топлива. Это дает двигателю гораздо большую потенциальную мощность, но при этом сжигает так много энергии.

Сколько миль служат турбины?

Турбина, конечно, увеличивает мощность, но она не может обеспечивать мощность вечно, так как увеличивает расход топлива. В отличие от больших двигателей, которые могут развивать мощность все время, автовладельцам необходимо тщательно обдумывать использование турбонаддува. Турбина обычно длится около 75 000 миль, прежде чем выпустить облако черного дыма. Рекомендуется не форсировать его до этого момента.

Основные принципы турбокомпрессоров на судах

Твиттер
LinkedIn
Эл. адрес

Основные принципы

Хотя судовладельцев часто обвиняют в игнорировании требований повышения эффективности, если только они не обязаны делать это по закону, реальность такова, что это очень далеко от истины. Вероятно, нет лучшего примера готовности судовладельцев использовать технологии экономии топлива, чем разработка судовых турбокомпрессоров.

Для сгорания в традиционном судовом двигателе необходимы три вещи: топливо, тепло и кислород. Топливом всегда был углеводород, будь то нефть, биотопливо, СПГ или любое другое альтернативное топливо, используемое сейчас; тепло может исходить от сжатия в дизельном двигателе или от искры, а кислород должен подаваться в двигатель в виде воздуха. Не исключено, что двигатель без наддува может работать на корабле, но без нагнетаемого воздуха, создаваемого нагнетателем или турбонагнетателем, сгорание будет ограничено, а эффективность двигателя будет снижена.

Ранние дизели были построены без турбонагнетателей и были гораздо менее эффективными, чем их современные аналоги. Турбокомпрессоры впервые появились в морской сфере в 1923 году на Hansestadt Danzig и Preussen , увеличив мощность двух дизельных двигателей MAN с 1750 л.с. до 2500 л.с. — увеличение мощности почти на 43%. Первоначально турбонаддув применялся для четырехтактных дизельных двигателей, но в 1934 г. была продолжена разработка турбонаддува для двухтактных двигателей, и в 1919 г.52 первое морское применение было сделано, когда танкер Dorthe Maersk дедвейтом 18 000 тонн был введен в эксплуатацию. Корабль был оснащен одним двухтактным 6-цилиндровым главным двигателем B&W. Два его турбонагнетателя VTR-630 увеличили выходную мощность с исходных 5530 л.с. до 8000 л.с.

Турбокомпрессор в своей простейшей форме в принципе представляет собой не что иное, как компрессор и состоит из двух соединенных наборов вращающихся лопаток в отдельных корпусах. Одна (турбина) приводится в движение выхлопными газами двигателя и вращает компрессор, который всасывает окружающий воздух снаружи и нагнетает его в камеру сгорания. Без достаточного количества воздуха процесс сгорания не позволит сжечь все топливо, что приведет к появлению черного дыма в выхлопных газах и снижению эффективности. Черный дым, который часто можно увидеть из корабельной трубы сразу после запуска главных двигателей, является следствием того, что турбонагнетатель не включился сразу.

Мощность для турбонагнетателя поступает от потока выхлопных газов двигателя, но это может быть сделано одним из двух способов — импульсным или постоянным давлением. В многоцилиндровом двигателе каждый такт выпуска приводит к новому впрыску отработавших газов в систему. Он может подаваться непосредственно в турбонагнетатель или в сборную камеру.

Когда выпускной клапан впервые открывается и содержимое цилиндра выбрасывается, оно находится под высоким давлением и, если подается непосредственно на турбонагнетатель, проходит через трубу достаточного диаметра, чтобы поддерживать это давление и подавать высокую энергию на турбонагнетатель. Поскольку каждый цилиндр выпускается по очереди, турбонагнетатель будет получать регулярные импульсы энергии. Это известно как импульсный турбонаддув.

Каждый цилиндр будет либо иметь прямую подачу на турбонагнетатель, либо цилиндры будут сгруппированы в наборы, каждый из которых будет иметь свою собственную выхлопную трубу или ведущую и иметь общую выпускную трубу. Если сгруппировать в наборы, соответствующие цилиндры будут выбраны так, чтобы не было помех продувке цилиндров, вызванной продувкой газов из одного цилиндра в другой, когда один из них выхлопной. Для успешного импульсного турбонаддува необходимо, чтобы провода были максимально короткими и прямыми, а также имели малый диаметр для предотвращения рассеивания энергии. Этот метод работы очень чувствителен к изменениям частоты вращения двигателя и теоретически обеспечивает лучшую продувку. Это также позволяет использовать несколько турбонагнетателей.

В системе постоянного давления к турбонагнетателю подключен только один провод, и все цилиндры соединены с одним выпускным коллектором. Из-за большего диаметра часть энергии теряется за счет рассеяния, но это означает, что давление от коллектора к турбонагнетателю постоянно. Этот тип системы лучше всего подходит для двигателей с высокой выходной мощностью, поскольку рассеивание энергии имеет меньшее значение.

Это более простая система, поэтому она требует меньше обслуживания. Но есть и другие преимущества: он обеспечивает более высокий КПД турбины в целом, а количество требуемых турбонагнетателей может быть уменьшено. Поскольку трубы не обязательно должны быть такими короткими или прямыми, размещение турбонагнетателя более гибко. Турбокомпрессор с постоянным давлением обеспечивает более высокую эффективность при нормальных оборотах двигателя. С другой стороны, постоянное давление менее эффективно при частичных нагрузках, поскольку может не хватать энергии для работы турбонагнетателя. Турбокомпрессор также менее чувствителен к изменению условий работы двигателя, поскольку объем газа в коллекторе будет увеличиваться или уменьшаться медленнее при изменении частоты вращения двигателя.

Какой метод работы выбран, зависит не от самого турбонагнетателя, а от производителя двигателя.

Помимо двух способов работы, существует два основных варианта турбокомпрессоров, которые связаны с направлением потока газа на ротор турбины. В турбокомпрессоре с радиальным потоком отработавшие газы входят сбоку и выходят вдоль оси вала. В осевом турбонагнетателе выхлопные газы входят и выходят в осевом направлении.

В целом радиальные турбокомпрессоры больше подходят для небольших высокоскоростных двигателей, а осевые турбокомпрессоры предназначены для более мощных тихоходных двигателей. Однако существует значительная область перекрытия между ними, где может использоваться любой тип. Например, линейка радиальных турбокомпрессоров TCR компании MAN Energy Solutions предназначена для двигателей мощностью от 300 кВт до 6500 кВт, тогда как линейка осевых турбокомпрессоров TCA предназначена для двигателей мощностью от 2100 кВт до 30 000 кВт на турбонагнетатель. Очевидно, что для очень больших двигателей требуется несколько турбонагнетателей.

КПД турбокомпрессора и размер двигателя

Сегодня было бы почти немыслимо, чтобы судовой дизельный двигатель не был оснащен хотя бы одним турбокомпрессором, а для очень больших тихоходных двигателей установка с тройным турбокомпрессором не является редкостью. Повышенная эффективность современных турбокомпрессоров в настоящее время превышает отметку 70%, и их важность подчеркивается тем фактом, что, хотя турбокомпрессор составляет лишь небольшую часть стоимости двигателя, он обеспечивает от 60% до 75% его мощности. выход.

Эта эффективность дает ряд преимуществ. Например, размер двигателя, необходимый для производства определенной выходной мощности, может быть намного меньше, что позволяет сэкономить вес и пространство. В качестве альтернативы, двигатель того же размера, установленный на корабле, будет означать большую мощность, увеличивая его скорость и/или грузоподъемность. Многие производители двигателей также производят турбокомпрессоры и поставляют двигатели в готовом виде, но есть также небольшое количество независимых производителей, таких как ABB, KBB и Napier, чья продукция обычно может быть указана в качестве опции при покупке двигателей.

Несмотря на то, что турбонагнетатели являются привычными элементами оборудования, в последнее время было сделано несколько разработок, направленных как на дальнейшее повышение эффективности двигателя, так и на снижение выбросов. На большинстве двигателей турбонагнетатели лучше всего работают в пределах определенного диапазона нагрузки двигателя. Помимо этого могут возникнуть проблемы.

При медленном пропаривании или непрерывной работе с малыми нагрузками необходимо уменьшить эффект турбонаддува. Один из способов сделать это — либо уменьшить количество установленных турбонагнетателей, либо установить устройство отключения турбонагнетателя. Это был рекомендованный вариант, когда после 2008 г. были приняты стратегии медленного пропаривания9.0005 Вспомогательный турбонаддув

Вспомогательный турбонаддув

Еще одна разработка турбокомпрессора последних лет принадлежит японскому производителю двигателей Mitsubishi. Гибридный турбогенератор компании MET83MAG был впервые использован в 2011 году на сухогрузе Shin Koho . Гибридная установка была разработана для удовлетворения всех потребностей судна в электроэнергии в море за счет использования выхлопных газов основного двигателя не только для привода компрессора турбонагнетателя, но и для выработки электроэнергии. В 9500 об/мин выходная мощность гибридного агрегата составляет 754 кВт.

Система генерирует мощность переменного тока, которая преобразуется в постоянный ток с помощью биполярного транзистора с изолированным затвором и инвертора. Система также может работать в обратном направлении, используя другие источники энергии, заставляя генератор служить двигателем, который увеличивает мощность турбонагнетателя при низких оборотах двигателя. Модель MET66MAGVTI, использующая ту же технологию, но с концепцией регулируемой турбины, разработана в сотрудничестве с Mitsui Zosen и Kobe Diesel. Турбокомпрессор получил референции на серию автовозов, принадлежащих NYK.

В 2017 году компания Rolls-Royce приобрела эксклюзивные права на использование новой запатентованной технологии турбонаддува с электроприводом от G+L innotec, которая подходит для двигателей мощностью более 450 кВт. Система наддува с электроприводом состоит из электропривода в сочетании с традиционным турбокомпрессором, разработанным и изготовленным MTU. В результате турбонагнетатель может ускоряться электрически, и давление наддува создается раньше. В условиях эксплуатации, при которых энергии, необходимой для более быстрого наддува турбины, как правило, недостаточно, его также можно создать с помощью электропривода.

Система в принципе аналогична системе Mitsubishi, но в ней используется постоянный магнит, установленный перед крыльчаткой компрессора, а электрическая обмотка встроена в корпус компрессора. При таком расположении воздух, всасываемый компрессором, не препятствует воздуху, и в то же время электрические компоненты охлаждаются воздухом. Особенностью этого устройства является большой зазор между магнитом и обмоткой. Для этого так называемого двигателя с зазором между средами требуется специально разработанная силовая электроника. Это гарантирует отсутствие аэродинамического воздействия на зарядное устройство и простоту адаптации существующих зарядных устройств для использования этой технологии.

Последовательный турбонаддув

Большинство крупных судов имеют двигатели с несколькими турбонагнетателями из-за потребности в достаточном количестве воздуха для поддержки сгорания двигателя при работе на полной мощности. Если практикуется медленное пропаривание, не все турбокомпрессоры нужны, и стало обычной практикой отключать один из турбокомпрессоров на полупостоянной основе. Чтобы сделать систему более гибкой, были разработаны регулируемые турбокомпрессоры, а альтернатива, известная как последовательный турбонаддув, была заимствована из других областей применения и разработана для использования в дизельных двигателях.

В 2018 году компания ABB Turbocharging запустила свою новую систему FiTS2, которая является примером этой технологии. Расшифровываясь как «Гибкая интегрированная система турбонаддува» для двухтактных двигателей, эта последовательная система турбонаддува обеспечивает значительную экономию топлива при сохранении гибкости в работе двигателя и судна. Разработанный совместно с ключевыми разработчиками двигателей, FiTS2 доступен для всех двухтактных двигателей.

Типичные двигатели для больших танкеров, балкеров и фидерных контейнеровозов с обычными системами турбонаддува работают с двумя однотипными турбонагнетателями, которые всегда работают при высоких нагрузках, а также при малых и частичных нагрузках двигателя. Чтобы оптимизировать эффективность двигателя за счет улучшенного турбонаддува при низкой и частичной нагрузке, двигатель с FiTS2 работает при более низких нагрузках только с одним работающим турбокомпрессором, тогда как при более высоких нагрузках (как правило, от 50 до 60% нагрузки двигателя) два турбокомпрессора работают одновременно. Тот же принцип применяется к очень большим двигателям — с FiTS2 они будут работать с двумя турбонагнетателями при более низких нагрузках и со всеми тремя турбонагнетателями при работе с более высокими нагрузками.

Большие двухтактные двигатели также часто оснащаются вспомогательными нагнетателями, но во многих случаях FiTS2 может поддерживать медленную подачу пара без их работы. Включение вспомогательного вентилятора обычно можно уменьшить примерно с 35% нагрузки двигателя до 25%, что позволяет экономить энергию.

Турбина с изменяемой геометрией

Еще одним усовершенствованием работы турбокомпрессора является разработка регулируемого турбонаддува, при котором лопатками турбины можно управлять, чтобы уменьшить или увеличить скорость турбины.

В зависимости от производителя эта концепция называется VTG (турбина с изменяемой геометрией) или VTA (турбина с изменяемой площадью). Когда лопасти поворачиваются в направлении потока выхлопных газов, они оказывают очень небольшое сопротивление и, таким образом, уменьшают эффект турбонаддува. Поворот лопастей так, чтобы они представляли большую часть своей поверхности потоку, приведет к более быстрому вращению турбины на скоростях в несколько тысяч об / мин и увеличению турбонаддува.

Двухступенчатый турбонаддув

Наиболее интересной из последних разработок является потенциал двухступенчатого турбонаддува для соответствия требованиям Кодекса NOx и повышения общей эффективности использования топлива.

В двухступенчатом турбонагнетателе выхлопной газ сначала подается на турбину высокого давления, а затем направляется на вторую турбину низкого давления, после чего выбрасывается. На стороне компрессора воздух сначала всасывается через сторону низкого давления, где он сжимается и охлаждается, а затем достигает стороны высокого давления, где он дополнительно сжимается перед поступлением в двигатель.