Что такое турбокомпрессор? Как работает и его самые главные преимущества.
Не существует такого понятия, как совершенное изобретение: мы всегда можем сделать что-то лучше, дешевле, эффективнее и более экологически чистое. Возьмем к примеру, двигатель внутреннего сгорания. Всегда есть возможность построить двигатель, который будет ехать быстрее, дальше или будет использовать меньше топлива. Один из способов улучшить характеристики двигателя – это использование турбокомпрессора. Практически каждый из нас слышал о турбокомпрессоре, но как же он работает на самом деле?
Что такое турбокомпрессор?
Всем нам очевидно, что выхлопные газы загрязняют окружающую среду, но менее очевидным является то, что это также и напрасное растрачивание энергии. Выхлоп – это смесь горячих газов, которые выходят под большим давлением, и вся энергия, которую он содержит – тепло и движение (кинетическая энергия) – исчезает в атмосфере. Было бы здорово, если бы двигатель мог использовать эти отходы, чтобы заставить ехать машину быстрее.
И это именно то, что делает турбокомпрессор!
Двигатели автомобилей создают электроэнергию за счет сжигания топлива в прочных металлических емкостях, называемых цилиндрами. Воздух попадает в каждый цилиндр, смешивается с топливом, эта смесь сгорает, чтобы устроить небольшой взрыв, который запускает поршень, вращая валы. Когда после толчка поршень возвращается на место, выхлопные газы и топливная смесь выходят из цилиндра в виде выхлопа. Количество энергии, которую может произвести автомобиль непосредственно связано с тем, как быстро он сжигает топливо. Чем больше у вас цилиндров и чем больше они по размерам, тем больше топлива сжигает автомобиль и тем быстрее (теоритически) он может двигаться.
Один из способов увеличить скорость автомобиля – это увеличить количество цилиндров! Именно поэтому большинство суперкаров и спортивных машин обычно имеют восемь и 12 цилиндров в отличии от четырех- и шестицилиндровых двигателей обычного семейного автомобиля. Другим выходом является турбокомпрессор, который нагнетает в цилиндры больше воздуха, поэтому в двигателе сжигается больше топлива.
Турбокомпрессор – это простое, относительно дешевое приспособление, которое способно создать больше мощности без модификации самого двигателя!
Как работает турбокомпрессор?
Турбокомпрессор на машине работает по очень схожему принципу с поршневым двигателем. Он использует выхлопные газы для вращения турбины. Турбонаддув приводит в работу воздушный компрессор, который заталкивает дополнительный воздух (и кислород) в цилиндры, позволяя им сжигать больше топлива. Именно поэтому автомобили, оснащенные турбокомпрессорами, могут производить больше мощности. Механические нагнетатели (superchаrger) по принципу работы похожи на турбокомпрессор, но турбина механического нагнетателя вместо того, чтобы использовать выхлопные газы для работы, получает питание от вращения коленвала двигателя. И вот здесь преимущество турбокомпрессора: турбокомпрессор получает энергию из отходов выхлопных газов, в то время как механический нагнетатель «крадет» энергию от источника питания автомобиля – коленчатого вала.
Основная идея заключается в том, что выхлопные газы вращают турбину которая напрямую подключена к компрессору и засасывает дополнительное количество воздуха в двигатель. Вот, в общих чертах, как все это работает:
Преимущества турбокомпрессора
Вы можете использовать турбокомпрессор на бензиновых или дизельных двигателях практически на любом виде транспорта (автомобиль, грузовик, корабль или автобус). Основное преимущество использования турбокомпрессора заключается в том, что вы получите больше мощности при одинаковых размерах двигателя (каждый рабочий ход поршня в каждом цилиндре генерирует больше энергии, чем этого можно было добиться улучшениями двигателя). Однако больше мощности значит больше выход энергии в секунду; и закон сохранения энергии говорит нам, что мы должны задействовать больше энергии, и, соответственно, необходимо сжечь больше топлива. В теории это означает, что двигатель с турбонаддувом также неэффективно расходует топливо, как и двигатель без него.
Но как показывает практика, двигатель оснащенный турбокомпрессором, гораздо меньше и легче, чем двигатель, который производит такую же мощность без турбонаддува; и в такой перспективе, турбированный двигатель лучше экономит топливо! И это главное преимущество турбокомпрессора: если он исправно работает, он способен экономить до 10% топлива. Поскольку турбокомпрессор сжигает топливо с большим количеством кислорода, то расходует он его более тщательно и экономно, производя меньше загрязнений окружающей среды.
Принцип работы турбокомпрессора — основы функционирования турбокомпрессора
Турбокомпрессор автомобиля, имеющий также название газотурбинный нагнетатель, представляет собой осевой либо центробежный компрессор, который функционирует совместно с турбиной. Это, пожалуй, главный конструктивный элемент, применяемый в газотурбинных силовых агрегатах.
Принцип работы автомобильного турбокомпрессора
Схема турбокомпрессора
Турбокомпрессор является сложным устройством, используемым в целях увеличения мощностных характеристик двигателя благодаря большему количеству воздуха, который подается в цилиндры.
Принцип работы турбокомпрессора сводится к следующему:
- при попадании в мотор топливовоздушной смеси происходит ее сгорание, которая затем выходит через выхлопную трубу. В начале выпускного коллектора установлена крыльчатка, крепко соединенная с другой крыльчаткой, расположенной уже во впускном коллекторе;
- поток выходящих из двигателя выхлопных газов раскручивает крыльчатку, находящуюся в выпускном коллекторе, которая в свою очередь приводит в движение крыльчатку, установленную на впуске;
- так, в мотор поступает большее количество воздушной массы, а значит, в него подается и больше топлива. Как известно, чем больше сгорает топливной смеси, тем мощнее становится двигатель. Задача автомобильного турбокомпрессора как раз и состоит в том, чтобы поставлять в силовой агрегат больше воздуха для сжигания большего количества топлива, за счет чего и достигается значительная прибавка мощности.
Что такое турбо-яма?
Стоит добавить, что крыльчатка турбокомпрессора способна развивать до двухсот тысяч оборотов в минуту, благодаря чему данное устройство отличается большой инерционностью или, говоря иначе, имеет «турбо-яму», которая проявляется при резком нажатии на педаль газа.
В этот момент крыльчатка медленно приводится в движение, и приходится некоторое время ждать, чтобы автомобиль начал набирать скорость.
Автомобиль медленно набирает скорость
Этот эффект имеет продолжительность всего несколько секунд, но, тем не менее, он не доставляет особого удовольствия при разгоне машины. На сегодняшний день производители, так или иначе, смогли устранить эффект «турбо-ямы» путем установки двух перепускных клапанов. Один предназначен для выработанных газов, задача второго состоит в том, чтобы перепускать избыток воздуха в трубопровод турбокомпрессора из впускного коллектора.
Благодаря этой системе обороты крыльчатки при сбросе газа уменьшаются в замедленном темпе, в то время как при резком нажатии на педаль акселератора происходит поступление воздушной массы в двигатель в полном объеме.
«Битурбо» и «Твинтурбо»
Битурбо и твинтурбо
Немногие автомобилисты знакомы с такими понятиями, как «битурбо» и «твинтурбо». Первое означает, что в машине установлено два турбокомпрессора, которые расположены параллельно друг другу.
Второе указывает на то, что автомобиль оснащен тремя турбокомпрессорами. Как правило, такое дополнительное оснащение встречается на спортивных автомобилях.
Работа сразу нескольких турбокомпрессоров, которые отличаются разными размерами, приводит к тому, что один из них характеризуется большей инерцией, а другой – меньшей. Это дает значительный приток мощности мотору, поскольку первый газотурбинный нагнетатель функционирует при малых оборотах двигателя, а второй и третий – при оборотах, приближенных к максимальным.
При установке нескольких турбокомпрессоров не обойтись без интеркулера, задача которого состоит в охлаждении подаваемого во впускной коллектор воздуха. Подача воздушной массы в двигатель не может осуществляться бесконечно, поскольку при нагреве повышается ее плотность. Интеркулер, который представляет собой дополнительный радиатор, как раз и предусмотрен для того, чтобы охлаждать поступающий в мотор воздух.
Когда стоит устанавливать турбокомпрессор?
Установка оборудования
Как правило, намерение установить газотурбинный нагнетатель на автомобиль вызвано желанием улучшить его мощностные характеристики.
Машины, которые комплектуются силовыми агрегатами с большим количеством лошадиных сил (как правило, от 100 л.с. и выше), не нуждаются в оснащении турбокомпрессором. Они и без него характеризуются хорошей динамикой и прекрасно проявляют себя как в условиях города, так и на трассе.
Наиболее часто такое оборудование устанавливается на модели отечественного автопрома, поскольку они не отличаются большой мощностью. Целесообразно внедрять турбокомпрессор в малолитражки. Прирост лошадиных сил будет хоть и не слишком существенным, но, тем не менее, даже пара единиц к мощности автомобиля позволят немного улучшить его разгон.
Разгон улучшится
Турбокомпрессоры являются весьма популярным приобретением для тех, кто занимается автомобильным тюнингом. Пожалуй, под капотом любой профессионально тюнингованной машины можно увидеть газотурбинный нагнетатель и не один, потому что это одно из эффективных средств, позволяющих значительно увеличить мощность автомобиля.
Итак, узнав о том, как работает турбокомпрессор, вы можете принять решение о его установке на свою машину.
Если вы далеки от автомобильного тюнинга, и у вас нет желания усовершенствовать технические возможности своего личного транспорта, который полностью устраивает вас и в стоковом варианте, то его, безусловно, следует оставить в первозданном виде.
Если же вы не можете обойтись без экспериментов над улучшением характеристик своего автомобиля и ищите способы увеличения его динамики, то установка дополнительного турбокомпрессора частично поможет вам в этом. Это эффективное и сравнительно недорогое средство, позволяющее добавить несколько единиц к мощности своей машины, чтобы чувствовать себя более уверенно при совершении обгона других транспортных средств, что довольно часто требуется на скоростных трассах.
Видео
Интересное видео о производстве турбокомпрессора:
Работа турбокомпрессора в деталях показана ниже:
Как работает турбокомпрессор | Boldmethod
Википедия/НАСА
У полетов на большой высоте есть несколько преимуществ, таких как уменьшение лобового сопротивления, более высокая истинная воздушная скорость и, если вас укажут в правильном направлении, более сильный попутный ветер.
Но у безнаддувных двигателей есть один существенный недостаток: нехватка кислорода.
Проблема высокогорья
По мере увеличения высоты атмосферное давление уменьшается, и снижается быстро. На самом деле, , если вы летите на высоте 18 000 футов, 50% атмосферы находится под вами. Это означает, что вашему двигателю нужно сжигать меньше воздуха, и намного меньше лошадиных сил, выходящих из передней части вашего самолета.
Решение проблемы разреженного воздуха
Турбокомпрессоры решают проблему разреженного воздуха в поршневых двигателях, сжимая всасываемый воздух до того, как он достигнет цилиндра. Сжимая воздух, ваш двигатель может работать так, как будто он находится на уровне моря или ниже, даже если он работает на эшелонах полета.
Как работает турбокомпрессор
Турбокомпрессоры состоят из трех основных компонентов:
- Турбина
- Компрессор
- Вал, соединяющий их вместе
Турбина
Все начинается с турбины, которая приводится в движение (вращается) выхлопными газами, выходящими из вашего двигателя.
Когда выхлоп выходит через выпускной коллектор, он проходит над турбиной и раскручивает ее. Чем больше выхлопных газов проходит, тем быстрее вращается турбина. Примерно так это и работает, по крайней мере, на данный момент.
Вал
Вал соединяет турбину и компрессор, поэтому, когда турбина начинает вращаться при запуске двигателя, компрессор тоже начинает вращаться.
Компрессор
Компрессор отвечает за всасывание воздуха снаружи самолета, его сжатие и последующую подачу в двигатель. Как вы уже читали, компрессор крутится, потому что он соединен с турбиной через вал.
Теперь, когда вы знакомы с основами турбокомпрессора, осталось еще кое-что рассказать.
Выброс воздуха через перепускной клапан
Турбокомпрессоры хорошо повышают давление воздуха во впускном коллекторе вашего двигателя, известное как давление в коллекторе . Но иногда они слишком хороши. Турбокомпрессоры способны создавать слишком большое давление в коллекторе, что может повредить или разрушить ваш двигатель.
Так как же турбонагнетатели предотвращают попадание слишком большого количества воздуха в двигатель? С чем-то под названием вестгейт .
Некоторые вестгейты автоматические, а другие управляются вручную пилотом, но теория всегда одна и та же. Вестгейт открывается и закрывается, чтобы регулировать количество выхлопных газов, проходящих через турбину, и предотвращает слишком быстрое вращение турбины. Чем быстрее вращается турбина, тем быстрее вращается компрессор, а это означает, что в двигатель поступает больше воздуха.
Сколько воздуха может выдержать ваш двигатель?
Итак, сколько воздуха действительно может выдержать ваш двигатель? Это зависит от двигателя, но есть два основных типа турбонаддува: высотный турбонаддув и наземный наддув.
Высота над уровнем моря
Высотный турбонаддув, который иногда называют «нормализацией», позволяет вашему двигателю работать так, как будто он находится на уровне моря, как можно дольше.
Это зависит от двигателя, но большинство высотных турбокомпрессоров поддерживают давление в коллекторе в пределах 29-30 дюймов ртутного столба (давление на уровне моря) по мере набора высоты.
Но, в конце концов, по мере увеличения высоты ваш турбонагнетатель не может сжимать достаточно воздуха, чтобы поддерживать давление в коллекторе на уровне моря. Это называется критическая высота , и это самая высокая высота, на которой ваш двигатель может развивать максимальную мощность, на которую он рассчитан (мощность двигателя оценивается на уровне моря).
С этого момента, чем выше вы поднимаетесь, тем меньше воздуха поступает в ваш двигатель. Это означает, что вы будете производить меньше лошадиных сил. Но он все же намного эффективнее, чем обычный атмосферный двигатель.
Наземное ускорение
Наземный наддув аналогичен высотному турбонаддуву, но требует большего давления. Системы с наддувом обычно работают при давлении в коллекторе от 31 до 45 дюймов ртутного столба, что намного больше, чем у высотных турбокомпрессоров.
Но недостаток большой: много тепла .
Boldmethod
Турбокомпрессоры и их тепловые проблемы
Когда вы сжимаете воздух, он нагревается. Это один из самых больших недостатков любого турбокомпрессора. Авиадвигатели и так работают при высоких температурах, а горячий всасываемый воздух усугубляет их. Чтобы решить эту проблему, многие турбокомпрессоры используют нечто, называемое промежуточным охладителем .
Интеркулер — это, по сути, мини-кондиционер, который размещается между турбокомпрессором и двигателем. По мере того, как горячий воздух движется от турбины к двигателю, он проходит через интеркулер, и температура значительно падает. Этот более холодный воздух делает ваш двигатель намного счастливее и поддерживает его плавную работу.
Википедия
Преимущество на большой высоте
Турбокомпрессоры являются ключом к полетам на большой высоте в самолетах с поршневым двигателем.
Хотя они усложняют двигательную систему, они — единственное, что может поднять поршневой самолет до эшелонов полета при сильном попутном ветре, более высокой истинной воздушной скорости и таких видах:
Boldmethod
лучший пилот.
Подпишитесь, чтобы получать последние видео, статьи и викторины, которые помогут вам стать более умным и безопасным пилотом.
Зарегистрироваться >
НАЗВАНИЕ
- Тег
- Автор
- Дата
Как работают турбокомпрессоры?
Несмотря на захватывающее название, у двигателя с турбонаддувом есть больше преимуществ, чем просто дополнительная мощность. Вот как это работает.
Когда мы смотрим на выхлопную трубу движущегося автомобиля, мы все знаем, что выхлопные газы, которые она испускает, представляют собой смесь отработанного воздуха и топлива. Но знаете ли вы, что эти пары также содержат большое количество потраченной впустую энергии в виде тепла и движения (кинетической энергии)?
Если нет, не волнуйтесь — швейцарский инженер Альфред Бюхи уже сделал это еще в начале 20-го века, что заставило его подумать, что было бы неплохо использовать эту потерянную в противном случае энергию, чтобы заставить автомобиль двигаться быстрее. В 1905 году Бюхи получил патент на использование компрессора, приводимого в действие выхлопными газами, для нагнетания воздуха в двигатель внутреннего сгорания для увеличения его выходной мощности — самого первого турбокомпрессора.
Автомобильные двигатели вырабатывают энергию, сжигая топливо в металлических компонентах в форме банок, называемых цилиндрами. Когда топливо поступает в цилиндр, оно соединяется с воздухом и сгорает, вызывая небольшой взрыв, который выталкивает поршень, вращая валы и шестерни, заставляющие вращаться колеса автомобиля.
Когда поршень возвращается обратно, он выталкивает отработанный воздух и топливную смесь из цилиндра в виде выхлопа.
Чтобы увеличить мощность двигателя автомобиля, вы можете просто добавить больше цилиндров, что позволит ему сжигать больше топлива каждую секунду и (теоретически) вращать валы и шестерни быстрее. Или вы можете использовать турбокомпрессор, чтобы нагнетать больше воздуха в цилиндры, которые у него уже есть, создавая больше мощности от каждого взрыва для достижения того же результата.
Как это работает?
Турбокомпрессор состоит из двух основных частей – турбины и компрессора. Когда двигатель сжигает топливо, выхлопные газы, которые он выпускает, направляются вниз по трубе в форме раковины улитки под высоким давлением, чтобы вращать турбину. Турбина вращается с очень высокой скоростью до 250 000 об/мин и, поскольку два устройства связаны между собой, заставляет вращаться и компрессор. Компрессор втягивает в цилиндры значительно больше воздуха, чем в безнаддувном двигателе, создавая дополнительную мощность.
Поскольку турбокомпрессор работает на невероятных скоростях и под огромным давлением, он выделяет много тепла. Для охлаждения выходящего из него горячего воздуха турбокомпрессор обычно работает в паре с интеркулером, а также системой охлаждения масла, не позволяющей ему перегреваться.
Каковы преимущества?
Создание большей мощности — не единственное преимущество двигателя с турбонаддувом. Он также может генерировать такую же мощность, как и безнаддувный двигатель, но при этом потреблять меньше топлива. Поскольку потребители требуют большей эффективности, а правила требуют снижения выбросов, неудивительно, что меньшие силовые агрегаты с турбонаддувом становятся нормой.
Турбокомпрессор также обеспечивает двигателю больший крутящий момент в нижнем диапазоне оборотов, что делает его идеальным для городских и городских сценариев вождения, таких как трогание с места на перекрестках. Кроме того, турбокомпрессор приглушает звук впуска двигателя, делая автомобиль тише.
Hyundai: инновационный турбонаддув
В 2015 году Hyundai Motor представила первый из нового поколения малых силовых агрегатов с турбонаддувом, обеспечивающих повышенную производительность, удовольствие от вождения и эффективность. двигатель с турбонаддувом и непосредственным впрыском. 1,0-литровый двигатель T-GDI с небольшим одноступенчатым турбокомпрессором был разработан в Европейском техническом центре Hyundai в Рюссельсхайме и способен развивать мощность до 120 л.с. и 172 Нм крутящего момента.
Он поставляется с приводом перепускной заслонки с электронным управлением, который повышает эффективность использования топлива за счет снижения насосных потерь, а также улучшает приемистость и крутящий момент на низких оборотах. Агрегат оснащен инжектором GDI с шестью отверстиями, давление которого превышает среднее значение 200 бар, что обеспечивает чистое сгорание и улучшает топливную экономичность и выбросы в соответствии со стандартами выбросов Euro 6c, на два года раньше их введения в 2017 году.
Двигатель также использует новую концепцию сплит-охлаждения для управления различными температурами в области головки блока цилиндров и блока цилиндров. Блок цилиндров быстро нагревается для снижения трения и более эффективной работы, а головка цилиндров работает при более низких температурах для оптимизации впрыска и сгорания. Чтобы двигатель был как можно меньше, выпускной коллектор встроен в головку блока цилиндров и поэтому может эффективно охлаждаться с помощью системы водяного охлаждения головки блока цилиндров. Эти усилия приводят к более быстрому прогреву катализатора и, в конечном итоге, к снижению расхода топлива и выбросов в реальных условиях.
Помимо 1,0-литрового двигателя T-GDI, новый i30 также предлагает четырехцилиндровый бензиновый двигатель 1,4 T-GDI с турбонаддувом, который значительно легче своего предшественника, 1,4-литрового двигателя Gamma. Базовый вес агрегата был уменьшен на 14 кг, а также он может похвастаться большей эффективностью и мощностью, обеспечивая 140 л.