Турбокомпрессор. Конструкция и условия работы.

Турбокомпрессор — это вращательная машина, состоящая из турбины и компрессора, установленных на общем валу. Его задача — подзаряжать двигатель внутреннего сгорания. Турбонаддув был запатентован в 1905 году швейцарским врачом Альфредом Бючи. Спустя 33 года описанная система была внедрена в грузовые автомобили. Его широкое применение в легковых автомобилях началось в 1973 году.

Турбокомпрессор. Конструкция и условия работы.

Конструкция турбокомпрессора

Турбокомпрессор состоит из:

  • ротор турбины;
  • ротор компрессора;
  • подшипник скольжения;
  • корпус турбины;
  • корпус компрессора;
  • средний корпус;
  • упорный подшипник;
  • уплотнительные кольца;
  • вал турбокомпрессора.

Энергия выхлопных газов используется для привода турбины. Они содержат 30% энергии, возникающей при сгорании топливовоздушной смеси. Ротор турбины, приводимый в движение упомянутыми газами (частота вращения вала от 100 до 200 000 об / мин, а иногда и более), приводит в движение ротор компрессора. Он жестко закреплен на одном валу с валом турбокомпрессора. Соединение вала (соединение с ротором турбины и ротором компрессора) является одним из основных элементов турбокомпрессора. Роторы установлены в корпусах, и весь блок удерживается в среднем корпусе посредством упорного подшипника скольжения. Масло подается по масляным каналам, задачей которых является поддержание масляной пленки на подшипниках вращающихся элементов. Роторы защищены от попадания масла маслосъемными кольцами.

Турбокомпрессор автомобильный

Ротор компрессора подает дополнительный воздух через впускной коллектор в камеру сгорания. Подача большего количества воздуха в камеру сгорания позволяет сжигать больше топлива, и, таким образом, привод может достигать большей мощности (КПД) . Это не единственное преимущество турбокомпрессора, но принципиальное. К преимуществам также можно отнести уменьшение выбросов вредных веществ и, в случае тюнинга автомобиля, отсутствие необходимости изменять рабочий объем привода (не забудьте обеспечить соответствующую систему охлаждения при установке турбонагнетателя).

Материалы, из которых изготовлен турбокомпрессор

Турбокомпрессор. Конструкция и условия работы.

В современных автомобилях, в которых основное внимание уделяется экологическим проблемам, двигатели сильно нагружены. Их рабочий объем становится меньше, а достигаемая номинальная мощность сравнима с ранее использовавшимися приводами с большим рабочим объемом. Как видно, использование турбокомпрессоров в современных силовых агрегатах — это обычное дело. Акцент на их нагрузку изменился по сравнению с предыдущими годами. В настоящее время турбокомпрессор — один из важнейших элементов современного двигателя. Поэтому он должен быть изготовлен из хорошего материала, чтобы его можно было эксплуатировать как можно дольше.

Для кожухов турбин используется материал под названием «Нирезист»:

Турбокомпрессор. Конструкция и условия работы.

Этот материал отличается высокой термостойкостью, стойкостью к истиранию и коррозии. Алюминиевые сплавы используются при строительстве корпусов компрессоров. В роторах турбин используется материал под названием «Инконель» (сплав никеля, хрома, кобальта и железа или титана). Все вышеупомянутые материалы, используемые в конструкции роторов турбин, характеризуются высокой термостойкостью и, следовательно, высокой устойчивостью к высоким рабочим температурам и коррозионная стойкость. Хромоникель-вольфрамовая сталь. Другими словами, конструкционная сталь для термического улучшения используются для изготовления валов турбонагнетателей. Подшипники скольжения, которые должны быть устойчивы к высоким рабочим температурам и абразивному износу, обычно изготавливаются из литейных сплавов бронзы B102.

Условия работы турбокомпрессора

Условия работы турбокомпрессора

Условия работы современных турбокомпрессоров довольно тяжелые. Высокая частота вращения достигает даже более 200000 об / мин Температура выхлопных газов при использовании турбонагнетателя выше, чем в выхлопных газах двигателей без наддува. В случае двигателей с самовоспламенением температура выхлопных газов составляет около 700 градусов по Цельсию, а в случае двигателей с искровым зажиганием — около 1000 градусов по Цельсию. Из-за температуры выхлопных газов и пульсации давления выхлопных газов необходимо использовать улучшенные материалы для таких элементов, как: роторы, корпус турбины, компрессоры, валы и подшипники скольжения

Тяжелые условия работы турбокомпрессора

Длительная эксплуатация турбокомпрессора напрямую связана с уходом за автомобилем. Под уходом за автомобилем подразумевается частая замена масла (желательно раз в год) вместе с масляным фильтром и воздушным фильтром. Это предотвращает попадание различных частиц материала в ротор компрессора, который является очень точной и чувствительной деталью к этому типу загрязнения.

Наиболее частые повреждения турбокомпрессора включают:

  • загрязнения всасываемого воздуха (грязь, пыль, песок и т. д.);
  • загрязняющие вещества в выхлопных газах (инородные тела из топливного бака, фрагменты клапанов и т. д.);
  • масляное загрязнение;
  • слишком низкий уровень масла;
  • углеродный шлам, образовавшийся в результате слишком высокой температуры выхлопных газов.

Контроль работы турбокомпрессора

Турбокомпрессор. Конструкция и условия работы.

Для правильной работы турбокомпрессора необходимо регулировать и непрерывно регулировать количество воздуха, подаваемого в двигатель. Поэтому современные системы турбонаддува оснащаются дополнительными регулирующими элементами. Одно из решений — дооснащение турбокомпрессора перепускным клапаном (так называемый выпускной клапан выхлопных газов). Он расположен перед впуском выхлопных газов в турбину (обычно объединен с корпусом турбины). Когда клапан открыт, выхлопные газы идут прямо в выхлопную систему автомобиля (байпас турбины). Открытие клапана регулируется, что напрямую влияет на нагрузку на турбину. Это обычно называется переменным давлением наддува. Самым простым управлением описываемого клапана является механическое управление. В закрытом положении пружина прижимает клапан так, чтобы выхлопные газы уходили в турбину. При повышении давления исполнительный механизм начинает открывать боковой канал, пропуская выхлопные газы в выхлопную систему автомобиля, минуя турбину. Хорошо согласованная сила давления пружины и сила, создаваемая приводом, обеспечивают автоматическую регулировку давления наддува.

Перепускной клапан

Перепускной клапан турбокомпрессора

Более совершенные решения с перепускным клапаном управляются вакуумным приводом. В этом решении также используется пружина, но ее функция противоположна описанной выше. Вместо того, чтобы удерживать клапан закрытым, задача пружины заключается в том, чтобы удерживать клапан в открытом состоянии, а упомянутый привод отвечает за его закрытие. Для этого типа решения требуется вакуумная система, в которой вакуумный насос используется только для работы турбонагнетателя. Это решение позволяет контролировать давление наддува независимо от давления во впускной системе. Преимущество этого решения заключается, прежде всего, в лучшем управлении работой приводного агрегата, что немного сокращает время реакции турбонагнетателя (так называемая турбо-задержка). Несмотря на популярность решения с перепускным клапаном в двигателях с искровым зажиганием, а также в более дешевых дизельных двигателях, его заменяют турбокомпрессоры с изменяемой геометрией управления выхлопом.

Изменяемая геометрия выхлопных лопаток

Используемые турбокомпрессоры оснащены панелью управления выхлопом с изменяемой геометрией. Рулевые колеса в турбокомпрессоре — это лопатки, прикрепленные к общему кольцу, расположенному по окружности ротора турбины. Пневматический привод используется для управления их наклоном (положением лопастей по отношению к ротору). Возможность изменения угла наклона лопастей приводит к тому, что поток воздуха, возможно без турбулентности, течет к ротору турбины. На малых оборотах руль наклонён под большим углом так, чтобы наддув был как можно более высоким, не оказывая отрицательного воздействия на турбокомпрессор. Описанное решение работает и тогда, когда необходимо снизить уровень подзарядки. В этом случае лопатки установлены таким образом, чтобы поток был турбулентным. Это приводит к снижению давления наддува. Преимуществами этого решения являются более высокий КПД, чем в случае перепускного клапана, более низкая температура и давление выхлопных газов (без потери мощности), меньшее время отклика турбокомпрессора

После внедрения в автомобили турбонагнетателей с изменяемой геометрией рулевых колес они использовались только в дизельных двигателях. Это было связано с несколько более низкой температурой выхлопных газов. В двигателях с искровым зажиганием температура выхлопных газов превышает 900 ° C, что требует использования более дорогих строительных материалов. Первым автомобилем, который использовал этот тип турбокомпрессора, был Porsche 911, для которого BorgWarner специально разработал турбокомпрессор. Однако представители компании не раскрыли, какой материал, способный выдерживать преобладающие высокие температуры выхлопных газов, был использован в конструкции описываемого элемента.

В дизельных двигателях избыточный лямбда-фактор воздуха не имеет значения, и подача воздуха не ограничивается дроссельной заслонкой, несмотря на ее наличие. Однако это важно в двигателях с искровым зажиганием. Именно в этом типе питания важной проблемой, связанной с работой турбокомпрессора, является поддержание лямбда — коэффициента избытка воздуха около единицы. Зачем? Потому что при малых нагрузках на привод или, например, снятие ноги с педали акселератора (закрытие дроссельной заслонки), воздушный поток не является непрерывным. Это создает тяжелые условия для работы компрессора, ротор которого вращается с довольно высокой скоростью. В результате перед дроссельной заслонкой создается давление наддува. Для предотвращения этого используется продувочный клапан, иначе известный как сливной клапан.

Задача продувочного клапана — снижение (сброс) давления в дроссельно-роторной части системы впуска. В автомобилях с высокими эксплуатационными характеристиками продувочный клапан выпускает сжатый воздух в атмосферу. Он сопровождается свистом, характерным для двигателей с турбонаддувом. Выдувным клапаном можно управлять двумя способами (так же, как и в случае перепускного клапана). Через давление наддува или через вакуумный цилиндр.

Перспективным решением является управление турбонагнетателем с помощью электрических приводов, а не пневматических приводов, как описано выше. Главное преимущество — ускорение реакции силового агрегата, в том числе турбины, на резкое нажатие на педаль акселератора.

Это делается таким образом, что при нажатии педали акселератора включается электродвигатель, который предназначен для получения подходящей высокой скорости вращения компрессора. После достижения соответствующей частоты вращения турбина включается (один компрессор и вал турбины с использованием муфты). Еще одно преимущество этого решения состоит в том, что контроллер не допускает слишком высоких частот вращения турбины. Конечно, описываемое современное решение оснащено датчиками и драйверами, чтобы работа турбокомпрессора была максимально эффективной.

Турбокомпрессоры похожи на настоящее и будущее современной автомобильной промышленности, по крайней мере, в обычных приводных агрегатах. Автомобильное будущее еще не определено. Ведутся работы по различным источниками энергии и альтернативным видам топлива. Однако это планы на будущее. А пока давайте наслаждаться тем, что у нас есть, то есть бензиновыми или дизельными агрегатами с турбонаддувом.

Рейтинг
( Пока оценок нет )
Андрей/ автор статьи
Понравилась статья? Поделиться с друзьями:
Добавить комментарий

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!:

Adblock
detector