Мы вдыхаем в турбины новую жизнь!
Как устроен турбокомпрессор
Устройство турбокомпрессора
Twin Turbo Small Block Chevy самый узнаваемый в мире двигатель с двойным турбонаддувом
Двигатель - это основной агрегат автомобиля, который позволяет машине передвигаться. Он преобразует тепловую энергию от сгорания топлива (бензин, дизель, газ) в механическую энергию.
Двигатели делятся на 2 вида: атмосферные (без наддува) и двигатели с наддувом.
Атмосферные двигатели всасывают воздух за счет разряжения, которое образуется в цилиндре во время его хода из верхней мертвой точки в нижнюю, при этом впускной клапан открыт.
Двигатели с наддувом делают тоже самое, но только до момента срабатывания турбокомпрессора, который уже принудительно "задувает" большее количество воздуха под давлением.
В чем прелесть турбокомпрессора? Он позволяет снимать больше мощности с двигателя, что позволяет экономить топливо на определенных оборотах.
Современные автомобили не могут нормально передвигаться на атмосферных моторах, потому что экологические нормы не позволяют использовать многолитровые моторы с хорошим крутящим моментом. Поэтому производители начали разрабатывать моторы с объемом до двух литров, оснащенные турбонаддувом и развитой системой впуска (фазовые вращатели, вихревые заслонки и т.д.)
прежде всего воздушный насос. Но его основная цель - устройство, которое преобразует сгорание различных видов топлива в механическую энергию, чтобы его можно было использовать конструктивным и контролируемым образом. Это преобразование тепловой энергии в механическую осуществляется несколькими простыми механизмами, содержащимися в двигателе. Особенности этой серии простых машин в двигателе различаются по конструкции и составляют различия между конкретными типами двигателей. Очевидно, что одни дизайны лучше других, но это отдельная проблема. Для двигателей без турбонаддува «дыхание» является проблемой. Это очевидно в рейтингах NHRA Pro Stock, гоночного класса, в котором запрещено использование турбин. Эти двигатели, возможно, являются лучшими по мощности среди всех двигателей, в которых не используется система принудительного впуска воздуха. Большинство продвинутых производителей двигателей согласны с тем фактом, что соображения по конструкции двигателя в пределах короткого блока относительно улучшения воздушного потока в основном исчерпаны. Для конкурентов Pro Stock секреты увеличения воздушного потока заключаются во впускном коллекторе и конструкции головки блока цилиндров. Именно здесь вся работа и технологии применяются в двигателях без наддува просто потому, что в этих двигателях отсутствует принудительный впуск воздуха.
Однако фундаментальный аспект двигателя как воздушного насоса является ключом к развитию лошадиных сил. Чем больше воздуха может перекачивать двигатель, тем большую мощность он развивает. Однако важно всегда помнить, что больше воздуха не дает лошадиных сил - больше топлива делает. Как правило, проблема не в том, чтобы залить в двигатель больше топлива; получить достаточно воздуха, чтобы сжечь это. Любая конструкция двигателя может производить больше мощности с добавлением турбонагнетателя, но только в пределах его способности справляться с нагрузками, связанными с производством дополнительной мощности.
Двигатели делятся на 2 вида: атмосферные (без наддува) и двигатели с наддувом.
Атмосферные двигатели всасывают воздух за счет разряжения, которое образуется в цилиндре во время его хода из верхней мертвой точки в нижнюю, при этом впускной клапан открыт.
Двигатели с наддувом делают тоже самое, но только до момента срабатывания турбокомпрессора, который уже принудительно "задувает" большее количество воздуха под давлением.
В чем прелесть турбокомпрессора? Он позволяет снимать больше мощности с двигателя, что позволяет экономить топливо на определенных оборотах.
Современные автомобили не могут нормально передвигаться на атмосферных моторах, потому что экологические нормы не позволяют использовать многолитровые моторы с хорошим крутящим моментом. Поэтому производители начали разрабатывать моторы с объемом до двух литров, оснащенные турбонаддувом и развитой системой впуска (фазовые вращатели, вихревые заслонки и т.д.)
прежде всего воздушный насос. Но его основная цель - устройство, которое преобразует сгорание различных видов топлива в механическую энергию, чтобы его можно было использовать конструктивным и контролируемым образом. Это преобразование тепловой энергии в механическую осуществляется несколькими простыми механизмами, содержащимися в двигателе. Особенности этой серии простых машин в двигателе различаются по конструкции и составляют различия между конкретными типами двигателей. Очевидно, что одни дизайны лучше других, но это отдельная проблема. Для двигателей без турбонаддува «дыхание» является проблемой. Это очевидно в рейтингах NHRA Pro Stock, гоночного класса, в котором запрещено использование турбин. Эти двигатели, возможно, являются лучшими по мощности среди всех двигателей, в которых не используется система принудительного впуска воздуха. Большинство продвинутых производителей двигателей согласны с тем фактом, что соображения по конструкции двигателя в пределах короткого блока относительно улучшения воздушного потока в основном исчерпаны. Для конкурентов Pro Stock секреты увеличения воздушного потока заключаются во впускном коллекторе и конструкции головки блока цилиндров. Именно здесь вся работа и технологии применяются в двигателях без наддува просто потому, что в этих двигателях отсутствует принудительный впуск воздуха.
Однако фундаментальный аспект двигателя как воздушного насоса является ключом к развитию лошадиных сил. Чем больше воздуха может перекачивать двигатель, тем большую мощность он развивает. Однако важно всегда помнить, что больше воздуха не дает лошадиных сил - больше топлива делает. Как правило, проблема не в том, чтобы залить в двигатель больше топлива; получить достаточно воздуха, чтобы сжечь это. Любая конструкция двигателя может производить больше мощности с добавлением турбонагнетателя, но только в пределах его способности справляться с нагрузками, связанными с производством дополнительной мощности.
Понимание того, как работает турбированная система двигателя внутреннего сгорания
На этом рисунке показана простая система с одним турбонаддувом с последующим охлаждением. Давайте проследим за потоком всасываемого воздуха, чтобы увидеть, как он работает. A. После того, как всасываемый воздух проходит через воздушный фильтр, он направляется на вход компрессора турбокомпрессора (1). B. Затем воздух сжимается, что увеличивает его плотность - или количество массы на единицу объема - секцией компрессора турбокомпрессора, и выпускается через трубку наддува (2). C. В большинстве современных турбо-систем используется дополнительный охладитель, также известный как промежуточный охладитель или охладитель наддувочного воздуха, для приема горячего нагнетаемого воздуха на выходе из компрессора. Охладитель удаляет избыточное тепло, что позволяет дополнительно улучшить плотность воздуха, а также охлаждает наддув всасываемого воздуха (3). D. Другая наддувная труба затем направляет воздух со стороны нагнетания охладителя во впускной коллектор двигателя, где воздух направляется к впускным клапанам и поступает в каждый цилиндр (4). E. Вводится увеличенный заряд впрыска топлива, основанный на теперь более плотном заряде воздуха, и происходит сгорание. После сгорания выхлопные газы проходят через выпускной клапан в выпускной коллектор (5). F. Выпускной коллектор направляет энергию выхлопных газов в виде тепла и давления в ступень турбины турбонагнетателя (6). G. Корпус турбины создает противодавление. Это противодавление и тепло расширяются относительно лопаток турбинного колеса, вызывая вращение турбинного колеса и вала, что, в свою очередь, приводит в движение крыльчатку компрессора на стороне всасывания системы. Оставшийся выхлоп затем покидает ступень турбины и попадает в выхлопную систему (7).
Устройство турбины
Турбокомпрессор, нагнетатель, турбонагнетатель и нагнетатель, среди прочего, являются технически правильными, когда относятся к любому из нескольких различных типов устройств, которые выполняют основную функцию в системе принудительного впуска воздуха в двигателе внутреннего сгорания. Но среди энтузиастов, волшебников мощности, гонщиков и даже нескольких начитанных белок, нагнетатель и нагнетатель используются как синонимы для обозначения устройств, которые увеличивают давление на впуске и питаются непосредственно от коленчатого вала двигателя. Эта книга в основном посвящена турбонагнетателю, который получает мощность за счет энергии выхлопных газов с помощью газовой турбины. Это различие в технологиях является основой для больших споров среди специалистов по производительности о превосходстве нагнетателя над турбонаддувом. Исторически сложилось так, что у каждого устройства есть области превосходства над другим, но эти области применения начинают сужаться, как эта книга будет описана в следующих главах.
Турбокомпрессоры правят по одной простой причине: турбонагнетатель является наиболее эффективным из всех экономичных устройств с принудительной подачей воздуха. В отличие от нагнетателя, который отбирает мощность непосредственно от коленчатого вала для привода своего компрессора, турбонагнетатель использует энергию выхлопных газов, которая в противном случае была бы потрачена впустую, просто закачивая ее в атмосферу. Но даже несмотря на то, что турбонагнетатель использует энергию выхлопных газов, которую обычно называют отработанной энергией, существует стоимость использования этой энергии, которая возникает из-за повышенного противодавления в выхлопе. Люди, применяющие турбины в двигателях, часто упускают из виду концепцию «насосных потерь». Ну, бесплатного обеда нет. Взаимосвязь между противодавлением и турбонаддувом - важная концепция, которая должна быть сбалансирована и рассматривается более подробно, когда мы подходим к согласованию турбонаддува с конкретным двигателем.
Турбокомпрессоры правят по одной простой причине: турбонагнетатель является наиболее эффективным из всех экономичных устройств с принудительной подачей воздуха. В отличие от нагнетателя, который отбирает мощность непосредственно от коленчатого вала для привода своего компрессора, турбонагнетатель использует энергию выхлопных газов, которая в противном случае была бы потрачена впустую, просто закачивая ее в атмосферу. Но даже несмотря на то, что турбонагнетатель использует энергию выхлопных газов, которую обычно называют отработанной энергией, существует стоимость использования этой энергии, которая возникает из-за повышенного противодавления в выхлопе. Люди, применяющие турбины в двигателях, часто упускают из виду концепцию «насосных потерь». Ну, бесплатного обеда нет. Взаимосвязь между противодавлением и турбонаддувом - важная концепция, которая должна быть сбалансирована и рассматривается более подробно, когда мы подходим к согласованию турбонаддува с конкретным двигателем.
Краткая история турбокомпресора
Альфред Буэки, изобретатель турбокомпрессора.
По мнению большинства, турбокомпрессор принадлежит швейцарскому инженеру Альфреду Буэки. Это была заявка Buechi на патент на составной двигатель в 1905 году, которая положила начало вращению шара. В этом патенте описан не турбонагнетатель, как он известен сегодня, а скорее осевая турбина и компрессор, которые имеют общий вал с двигателем, к которому они применяются. Эта ранняя конструкция не имела коммерческого успеха, но привела к дальнейшим разработкам в области использования газовых турбин и компрессоров, улучшающих характеристики двигателя.
Лишь в 1916 году профессор Огюст К.Е. Рато, французский изобретатель известной тогда паровой турбины, подал заявку на патент. Патент, однако, не был опубликован до 1921 года. Между тем, в конце 1917 года Национальный консультативный комитет по аэронавтике, чтобы рассмотреть возможность быстрой разработки турбокомпрессора для поддержки военных действий, обратился к Сэнфорду А. Моссу из General Electric (нет никаких сведений о нем). сотрудничество между Рато и Мосс). Исследования проводились на Пайкс-Пик в Колорадо, примерно на высоте 4250 метров над уровнем моря. В то время там были высотные испытательные камеры для авиационных двигателей, но не для двигателя, турбонагнетателя, винта и всех принадлежностей. Испытания показали, что мощность на уровне моря может быть успешно достигнута на высоте с помощью турбонаддува, что сделало турбонаддув решением для военных самолетов, позволяющих достигать более высоких скоростей и высот.
Конец Первой мировой войны замедлил развитие турбонаддува, но дало время подумать о проектировании и тестировании. General Electric продолжила свои исследования. Во время Второй мировой войны турбокомпрессоры Мосса широко использовались в самолетах и бомбардировщиках, таких как хорошо известный B-17 Flying Fortress. Турбокомпрессор, безусловно, внес свой вклад в военные усилия и внес значительный вклад в победу союзников.
Как и во многих продуктах и идеях, необходимость - мать изобретений. Турбокомпрессор - не исключение. Если двигатели используются для различных целей, дыхание является основополагающим для их успеха. Двигатель внутреннего сгорания изменил наш мир, а турбокомпрессор помог двигателю выполнить эту задачу.
Лишь в 1916 году профессор Огюст К.Е. Рато, французский изобретатель известной тогда паровой турбины, подал заявку на патент. Патент, однако, не был опубликован до 1921 года. Между тем, в конце 1917 года Национальный консультативный комитет по аэронавтике, чтобы рассмотреть возможность быстрой разработки турбокомпрессора для поддержки военных действий, обратился к Сэнфорду А. Моссу из General Electric (нет никаких сведений о нем). сотрудничество между Рато и Мосс). Исследования проводились на Пайкс-Пик в Колорадо, примерно на высоте 4250 метров над уровнем моря. В то время там были высотные испытательные камеры для авиационных двигателей, но не для двигателя, турбонагнетателя, винта и всех принадлежностей. Испытания показали, что мощность на уровне моря может быть успешно достигнута на высоте с помощью турбонаддува, что сделало турбонаддув решением для военных самолетов, позволяющих достигать более высоких скоростей и высот.
Конец Первой мировой войны замедлил развитие турбонаддува, но дало время подумать о проектировании и тестировании. General Electric продолжила свои исследования. Во время Второй мировой войны турбокомпрессоры Мосса широко использовались в самолетах и бомбардировщиках, таких как хорошо известный B-17 Flying Fortress. Турбокомпрессор, безусловно, внес свой вклад в военные усилия и внес значительный вклад в победу союзников.
Как и во многих продуктах и идеях, необходимость - мать изобретений. Турбокомпрессор - не исключение. Если двигатели используются для различных целей, дыхание является основополагающим для их успеха. Двигатель внутреннего сгорания изменил наш мир, а турбокомпрессор помог двигателю выполнить эту задачу.
Рост популярности турбокомпрессора
Текущая модель Schwitzer-BorgWarner S3 слева имеет немного больший диапазон воздушного потока, чем более старая модель Schwitzer, сделанная в 60-х годах для Cummins Engine Company.
В послевоенную эпоху турбокомпрессоры сначала не использовались, но постепенно турбокомпрессор стал востребованным компонентом, поскольку послевоенное расширение привело к значительному экономическому развитию. Коммерческие производители, использующие дизельные двигатели, такие как Caterpillar Tractor Company, осознали, что потребность в большей мощности от их машин постоянно растет. Без турбонагнетателей достижение запланированной мощности привело бы к увеличению объема двигателя и его стоимости. Конечно, производитель, у которого мощность двигателя вдвое выше, чем у конкурента, будет иметь значительное преимущество.
В 1950-х и 60-х годах наблюдался значительный рост использования турбонаддува. Основной рост пришелся на коммерческие дизельные двигатели. Это привело к быстрому росту компаний по всему миру, специализирующихся на разработке технологий турбонаддува. Послевоенный экономический рост привел к быстрому коммерческому росту, и более широкое использование турбокомпрессоров привело к расширению исследований и разработок коммерческих конкурентов, что привело нас к современной эре турбо-технологий.
В 1950-х и 60-х годах наблюдался значительный рост использования турбонаддува. Основной рост пришелся на коммерческие дизельные двигатели. Это привело к быстрому росту компаний по всему миру, специализирующихся на разработке технологий турбонаддува. Послевоенный экономический рост привел к быстрому коммерческому росту, и более широкое использование турбокомпрессоров привело к расширению исследований и разработок коммерческих конкурентов, что привело нас к современной эре турбо-технологий.
По мере того как надежность турбонагнетателя и конструкция улучшались, область применения турбин расширялась. В эпоху маслкаров 60-х Детройт пытался заправить турбонаддувом несколько бензиновых автомобилей, таких как Chevy Corvair.
1965 Chevrolet Corvair Corsa Sport Coupe
И Oldsmobile Jetfire. Эти приложения были в лучшем случае проблемными. Есть много мнений относительно того, почему турбокомпрессоры не сработали при первой попытке серийных автомобилей, но я утверждаю, что причин много.
Доступные двигатели не были предназначены для использования с турбонаддувом, и в отрасли не было большого опыта применения турбонаддува в отношении легковых автомобилей. Конструкция с турбонаддувом, которую следовало рассмотреть для использования на карбюраторном двигателе, имела проблемы с долговечностью, и получение правильного расхода топлива было проблематичным. Потребители могли получить всю необходимую мощность с двигателями большего объема, высокой степенью сжатия, кулачками с большим подъемом и многим другим. Редукторы бэби-бумеров не были готовы к турбинам. Кроме того, с бензином всего 20 центов за галлон, кого волновало, что вы получаете только 6-8 миль на галлон. Заботы о пробеге были для слабаков! Хотите поскорее? Кубические дюймы могут вас туда доставить.
Доступные двигатели не были предназначены для использования с турбонаддувом, и в отрасли не было большого опыта применения турбонаддува в отношении легковых автомобилей. Конструкция с турбонаддувом, которую следовало рассмотреть для использования на карбюраторном двигателе, имела проблемы с долговечностью, и получение правильного расхода топлива было проблематичным. Потребители могли получить всю необходимую мощность с двигателями большего объема, высокой степенью сжатия, кулачками с большим подъемом и многим другим. Редукторы бэби-бумеров не были готовы к турбинам. Кроме того, с бензином всего 20 центов за галлон, кого волновало, что вы получаете только 6-8 миль на галлон. Заботы о пробеге были для слабаков! Хотите поскорее? Кубические дюймы могут вас туда доставить.
1962 Oldsmobile F-85 Jetfire Sport
Когда разразилось арабское нефтяное эмбарго 1970-х годов, вызванное законом о чистом воздухе 1977 года, Детройт начал уделять внимание топливной эффективности и снижению выбросов выхлопных газов. Начали появляться двигатели меньшего размера, которые сжигали меньше топлива и давали потребителям большую экономию. Но американцы по-прежнему хотели своих лошадиных сил.
В 1980-х годах Детройт вернулся к турбонаддуву как способу достижения более высокой мощности и производительности для двигателей, теперь уже меньших по размеру. Хотя некоторые приложения стали известны, например, Buick Grand National, проблемы с турбонаддувом все еще оставались. Высокая температура выхлопных газов бензиновых двигателей и плохое обслуживание потребителей были не единственными проблемами.
Технические проблемы, связанные с турбонаддувом средним мастером по ремонту, в основном касались вопроса о том, «протянуть» ли карбюратор или «продуть». Если вы использовали метод продувки, вы бы обеспечили оптимальное распределение топлива от карбюратора через коллектор. Но проблемы, связанные с этим методом, включают ускоренное обогащение потока топлива, потому что карбюратор определяет поток воздуха, а не плотность воздуха.
Большинство инженеров предпочитали метод протяжки, поскольку компрессор турбонагнетателя располагался после карбюратора. Это положение в системе означало, что карбюратор мог ощущать увеличение объемного воздушного потока, который питал компрессор до турбонаддува, увеличивая плотность воздуха за счет наддува. Таким образом, отдельная система наддува-обогащения для увеличения количества топлива в условиях наддува не требовалась, в основном об этом позаботился карбюратор. Однако метод протяжки все еще имел свои проблемы, поскольку смесь воздуха и газа пропускалась через турбокомпрессор. Это означало, что крышка компрессора должна быть плотно закрыта герметиком для прокладок и / или уплотнительным кольцом на корпусе подшипника, чтобы неочищенный бензин не мог вытечь, так как теперь он находится под давлением. Компрессор также будет действовать как центрифуга для отделения газа от воздуха, поскольку капли воздуха и топлива имеют разную удельную массу. Кроме того, поскольку компрессор был проложен после дроссельной заслонки карбюратора, компрессор подвергался воздействию вакуума двигателя при малых нагрузках или в условиях частичного открытия дроссельной заслонки без наддува. В таких условиях моторное масло буквально всасывалось бы прямо из турбонагнетателя в двигатель. Чтобы решить эту проблему, на компрессорах использовались угольные масляные уплотнения положительного типа, но они были печально известны коротким сроком службы. Кроме того, сопротивление вала турбины, вызванное уплотнениями положительного типа, потребляло часть мощности турбины, тем самым снижая доступную энергию для привода компрессора.
Быстрое внедрение электронного впрыска топлива в газовые двигатели в 80-х годах было большим стимулом. Электронный впрыск топлива означал отсутствие карбюратора, а отсутствие карбюратора означало более легкую модернизацию турбонагнетателя! Послепродажные турбо-системы теперь могут быть более легко установлены. Это привело к резкому росту интереса к установкам турбонагнетателя на вторичном рынке.
В 1980-х годах Детройт вернулся к турбонаддуву как способу достижения более высокой мощности и производительности для двигателей, теперь уже меньших по размеру. Хотя некоторые приложения стали известны, например, Buick Grand National, проблемы с турбонаддувом все еще оставались. Высокая температура выхлопных газов бензиновых двигателей и плохое обслуживание потребителей были не единственными проблемами.
Технические проблемы, связанные с турбонаддувом средним мастером по ремонту, в основном касались вопроса о том, «протянуть» ли карбюратор или «продуть». Если вы использовали метод продувки, вы бы обеспечили оптимальное распределение топлива от карбюратора через коллектор. Но проблемы, связанные с этим методом, включают ускоренное обогащение потока топлива, потому что карбюратор определяет поток воздуха, а не плотность воздуха.
Большинство инженеров предпочитали метод протяжки, поскольку компрессор турбонагнетателя располагался после карбюратора. Это положение в системе означало, что карбюратор мог ощущать увеличение объемного воздушного потока, который питал компрессор до турбонаддува, увеличивая плотность воздуха за счет наддува. Таким образом, отдельная система наддува-обогащения для увеличения количества топлива в условиях наддува не требовалась, в основном об этом позаботился карбюратор. Однако метод протяжки все еще имел свои проблемы, поскольку смесь воздуха и газа пропускалась через турбокомпрессор. Это означало, что крышка компрессора должна быть плотно закрыта герметиком для прокладок и / или уплотнительным кольцом на корпусе подшипника, чтобы неочищенный бензин не мог вытечь, так как теперь он находится под давлением. Компрессор также будет действовать как центрифуга для отделения газа от воздуха, поскольку капли воздуха и топлива имеют разную удельную массу. Кроме того, поскольку компрессор был проложен после дроссельной заслонки карбюратора, компрессор подвергался воздействию вакуума двигателя при малых нагрузках или в условиях частичного открытия дроссельной заслонки без наддува. В таких условиях моторное масло буквально всасывалось бы прямо из турбонагнетателя в двигатель. Чтобы решить эту проблему, на компрессорах использовались угольные масляные уплотнения положительного типа, но они были печально известны коротким сроком службы. Кроме того, сопротивление вала турбины, вызванное уплотнениями положительного типа, потребляло часть мощности турбины, тем самым снижая доступную энергию для привода компрессора.
Быстрое внедрение электронного впрыска топлива в газовые двигатели в 80-х годах было большим стимулом. Электронный впрыск топлива означал отсутствие карбюратора, а отсутствие карбюратора означало более легкую модернизацию турбонагнетателя! Послепродажные турбо-системы теперь могут быть более легко установлены. Это привело к резкому росту интереса к установкам турбонагнетателя на вторичном рынке.
Понимание турбокомпрессора
Понимание того, как работает турбокомпрессор, имеет основополагающее значение для успешного применения турбонагнетателя и правильного согласования его с двигателем. Возможно, лучший способ понять, как работает турбонагнетатель, - это разбить его на основные части. Но для предварительного просмотра упрощенный турбокомпрессор имеет в основном три конструктивных элемента: турбину, компрессор и систему подшипников, которая связывает концы компрессора и турбины вместе. Каждая из этих областей взаимозависима друг от друга с точки зрения общей эффективности турбокомпрессора, но каждая из них разработана как отдельные машины. Производители турбокомпрессоров обычно разделяют группы инженеров-проектировщиков по областям специализации, где вы найдете специалистов по разработке турбин, специалистов по компрессорам и специалистов по механическому проектированию подшипников и опорных систем.
Турбина
Начнем с турбины. Турбонагнетатель получает энергию в виде тепла и давления из выхлопных газов двигателя. Любая турбина имеет определенный набор параметров, определяющих, с каким количеством выхлопных газов она совместима. Правильно установленная турбина фактически повысит противодавление в выхлопной системе двигателя, что, в свою очередь, повысит давление, приводящее в действие турбину, и увеличит тепло в выхлопной системе.
Турбина состоит из двух основных компонентов; колесо турбины и корпус турбины. Выхлопные газы из двигателя направляются в турбину через выпускной коллектор и поступают на вход турбины. Выхлопной газ заполняет корпус турбины и создает статическое давление за счет спирального корпуса турбины, который питает турбинное колесо на его конце или в области индуктора турбинного колеса. Поскольку высокое давление всегда стремится к низкому, выхлопные газы проходят через турбинное колесо, а газ высокого давления расширяется по мере прохождения через турбинное колесо. Это расширение выхлопных газов приводит во вращение рабочее колесо турбины внутри корпуса турбины.
Турбина состоит из двух основных компонентов; колесо турбины и корпус турбины. Выхлопные газы из двигателя направляются в турбину через выпускной коллектор и поступают на вход турбины. Выхлопной газ заполняет корпус турбины и создает статическое давление за счет спирального корпуса турбины, который питает турбинное колесо на его конце или в области индуктора турбинного колеса. Поскольку высокое давление всегда стремится к низкому, выхлопные газы проходят через турбинное колесо, а газ высокого давления расширяется по мере прохождения через турбинное колесо. Это расширение выхлопных газов приводит во вращение рабочее колесо турбины внутри корпуса турбины.
Это фотография турбокомпрессора в разрезе, показывающая основные части конструкции турбонагнетателя
Турбина - это машина, которая отбирает энергию, присутствующую в виде тепла и давления, из выхлопных газов и преобразует ее в механическую энергию посредством вращения турбинного колеса. Следовательно, конструкция и эффективность турбины имеют решающее значение для общей эффективности турбокомпрессора, поскольку это связано с характеристиками двигателя. Даже более важным, чем тонкие улучшения конструкции внутри турбины, является турбина правильного размера, позволяющая правильно «видеть» выхлоп двигателя.
Турбинная часть турбокомпрессора состоит в основном из турбинного колеса и корпуса турбины. Этот разрез под углом 120 градусов показывает положение турбинного колеса относительно корпуса турбины.
Бытовой садовый шланг - это простая аналогия, помогающая понять оптимальное согласование расхода. Если вы позволите шлангу течь с неограниченным концом, он будет вытекать в большом объеме и обычно будет выходить на 2 метра от конца шланга. Теперь начните сжимать конец шланга понемногу, и вы обнаружите, что давление растет, а вода разбрызгивается все дальше и дальше. Он может распыляться на расстояние до 10 -15 метров. Но если вы продолжите покрывать все большую и большую часть шланга, в какой-то момент вы увидите точку уменьшения отдачи. Расстояние распыления воды начинает уменьшаться, потому что вы слишком сильно ограничили поток, и все, что вы сделали, - это вызвало чрезмерное противодавление сверх того, что было оптимизировано для максимального давления и объема потока.
Турбина рассчитана на поток выхлопных газов данного двигателя примерно таким же образом. Но поскольку двигатель работает на разных оборотах, задачи более сложны, чем постоянный поток через шланг. Например, для данного двигателя, который используется в уличном транспортном средстве и достигает частоты вращения двигателя всего от 5000 до 6500 об / мин, может потребоваться турбина одного размера.
Для того же двигателя, предназначенного для использования в условиях гонок и работы на оборотах от 7000 до 9000 об / мин, потребуется турбина совершенно другого размера. Чрезвычайно важно понимать взаимосвязь между размерами турбины и двигателем, потому что слишком часто турбины не соответствуют двигателям, исходя из предположения, что турбины меньшего размера повышают давление наддува. Хотя это может быть правдой, точка уменьшения отдачи часто достигается или превышается, и слишком маленький корпус турбины теперь теряет мощность из-за дросселирования турбины и так называемых насосных потерь (чрезмерное противодавление). Это будет обсуждаться более подробно в главе 3. Но сейчас важно только понять это соотношение потока и то, как турбина может быть как слишком маленькой, так и слишком большой.
Когда турбинное колесо вращается от горячего выхлопного газа под высоким давлением, расширяющегося через него, колесо соединяется с валом, на противоположном конце которого изолирован компрессор. Компрессор выполняет работу, прямо противоположную турбине. Работа компрессора состоит в том, чтобы собирать свежий воздух и повышать его давление перед его поступлением в двигатель.
Турбина рассчитана на поток выхлопных газов данного двигателя примерно таким же образом. Но поскольку двигатель работает на разных оборотах, задачи более сложны, чем постоянный поток через шланг. Например, для данного двигателя, который используется в уличном транспортном средстве и достигает частоты вращения двигателя всего от 5000 до 6500 об / мин, может потребоваться турбина одного размера.
Для того же двигателя, предназначенного для использования в условиях гонок и работы на оборотах от 7000 до 9000 об / мин, потребуется турбина совершенно другого размера. Чрезвычайно важно понимать взаимосвязь между размерами турбины и двигателем, потому что слишком часто турбины не соответствуют двигателям, исходя из предположения, что турбины меньшего размера повышают давление наддува. Хотя это может быть правдой, точка уменьшения отдачи часто достигается или превышается, и слишком маленький корпус турбины теперь теряет мощность из-за дросселирования турбины и так называемых насосных потерь (чрезмерное противодавление). Это будет обсуждаться более подробно в главе 3. Но сейчас важно только понять это соотношение потока и то, как турбина может быть как слишком маленькой, так и слишком большой.
Когда турбинное колесо вращается от горячего выхлопного газа под высоким давлением, расширяющегося через него, колесо соединяется с валом, на противоположном конце которого изолирован компрессор. Компрессор выполняет работу, прямо противоположную турбине. Работа компрессора состоит в том, чтобы собирать свежий воздух и повышать его давление перед его поступлением в двигатель.
Компрессор
Компрессорная секция турбонагнетателя состоит в основном из крыльчатки компрессора и крышки компрессора.
Компрессор также состоит из двух основных компонентов: крыльчатки компрессора и крышки компрессора. Колесо компрессора представляет собой компрессор радиального типа, что означает, что когда воздух входит в переднюю кромку колеса, называемую индуктором, он ускоряется, поворачивается на 90 градусов и выходит из колеса компрессора перпендикулярно валу турбины, который приводит в движение колесо компрессора. Энергия, извлекаемая из турбины, используется для вращения колеса компрессора, которое втягивает воздух в колесо, а затем сжимает его.
Если бы две герметичные емкости были оснащены манометрами, а одна была нагрета, ее манометр повысился бы, как давление наддува. Однако в нагретой банке не будет более высокой плотности воздуха, только больше тепла и давления. Чрезмерный нагрев нежелателен, но это пример того, что происходит, когда на двигатель установлен неподходящий компрессор. Если двигателю требуется больше воздуха, чем компрессор может эффективно сжать, воздух становится очень горячим, и возникают проблемы с двигателем, такие как детонация.
Правильный выбор компрессора так же важен для достижения максимальной производительности двигателя, как и турбины. Конструкция каждого компрессора регулируется таким образом, чтобы пропускать количество воздуха, совместимое с потребностью двигателя в воздухе, в зависимости от рабочего объема этого двигателя, объемного КПД и рабочих оборотов. Компрессор, который слишком мал, ограничивает мощность двигателя и ограничивает мощность. Точно так же компрессор, который слишком большой, требует большей мощности для вращения, чем турбина способна развить, и, следовательно, не будет вращаться достаточно быстро, чтобы обеспечить поток воздуха и давление, которые в противном случае был бы способен создать компрессор. Таким образом, становится очевидным и важным баланс мощности между компрессором и турбиной турбонагнетателя.
Если бы две герметичные емкости были оснащены манометрами, а одна была нагрета, ее манометр повысился бы, как давление наддува. Однако в нагретой банке не будет более высокой плотности воздуха, только больше тепла и давления. Чрезмерный нагрев нежелателен, но это пример того, что происходит, когда на двигатель установлен неподходящий компрессор. Если двигателю требуется больше воздуха, чем компрессор может эффективно сжать, воздух становится очень горячим, и возникают проблемы с двигателем, такие как детонация.
Правильный выбор компрессора так же важен для достижения максимальной производительности двигателя, как и турбины. Конструкция каждого компрессора регулируется таким образом, чтобы пропускать количество воздуха, совместимое с потребностью двигателя в воздухе, в зависимости от рабочего объема этого двигателя, объемного КПД и рабочих оборотов. Компрессор, который слишком мал, ограничивает мощность двигателя и ограничивает мощность. Точно так же компрессор, который слишком большой, требует большей мощности для вращения, чем турбина способна развить, и, следовательно, не будет вращаться достаточно быстро, чтобы обеспечить поток воздуха и давление, которые в противном случае был бы способен создать компрессор. Таким образом, становится очевидным и важным баланс мощности между компрессором и турбиной турбонагнетателя.
Подшипниковая система
Система подшипников турбонагнетателя находится внутри корпуса подшипника. Корпус подшипника поддерживает корпус турбины и крышку компрессора, а вал турбины и подшипники поддерживают динамику вращения колес турбины и компрессора. Большинство систем подшипников турбокомпрессора представляют собой опорные подшипники бронзового типа, которые имеют масляные каналы для питания гидродинамической системы смазки, в то время как многие высокопроизводительные турбины последних моделей используют специально разработанные картриджи с шарикоподшипниками.
Вал турбины поддерживается системой подшипников, которая связывает турбину с компрессором. Система подшипников размещена внутри корпуса подшипника, который имеет множество конструктивных особенностей, критически важных для правильной работы в турбонагнетателе. Подшипниковая система выполняет тяжелую работу. Он должен поддерживать колеса турбины и компрессора, когда они вращаются со скоростью, превышающей 100 000 об / мин, при этом выдерживая различные колебания, вызванные импульсами двигателя, которые меняются в зависимости от частоты вращения двигателя и выходной мощности. Кроме того, система подшипников также должна воспринимать не только радиальные нагрузки, но и осевые или осевые нагрузки. Когда давление в турбине превышает давление компрессора или наоборот, на подшипниковую систему оказывается давление. Слишком большой перепад давления приведет к выходу из строя хорошего турбокомпрессора.
Несмотря на то, что существует много типов систем подшипников, все они должны выполнять эту работу, обеспечивая при этом минимальное сопротивление или потери на трение энергии, извлекаемой из турбины для питания компрессора. Корпус подшипника также является домом для многих других конструктивных элементов, включая контроль масла, газовые уплотнения, тепловые заслонки и, в некоторых конструкциях, водяные рубашки, чтобы удерживать чрезвычайно высокие температуры выхлопных газов вдали от смазочного масла.
Несмотря на то, что существует много типов систем подшипников, все они должны выполнять эту работу, обеспечивая при этом минимальное сопротивление или потери на трение энергии, извлекаемой из турбины для питания компрессора. Корпус подшипника также является домом для многих других конструктивных элементов, включая контроль масла, газовые уплотнения, тепловые заслонки и, в некоторых конструкциях, водяные рубашки, чтобы удерживать чрезвычайно высокие температуры выхлопных газов вдали от смазочного масла.
Где и почему турбины используются сегодня
Слово «турбо» широко использовалось для описания всего, от компьютерного программного обеспечения до обуви. Маркетологи используют слово «турбо» для обозначения мощности, скорости и превосходного уровня производительности. Те из нас, кто работает в турбоиндустрии, видят юмор, когда кто-то щелкает переключателем с надписью «турбо», и возникает внезапный скачок напряжения. Так не получается. Хотя этот термин был приукрашен чрезмерным использованием, для этого есть веская причина. Турбокомпрессор успешно применяется практически во всех двигателях, за исключением двигателей NHRA Top-Fuel Dragsters и Funny Cars, где они полностью запрещены.
Разработка турбокомпрессора была ускорена из-за того, что самолет должен был развивать высокий уровень мощности в более разреженном воздухе, видимом на большой высоте. Скорость турбины увеличивается примерно на 2 процента при увеличении высоты на 1000 футов. И воздушное, и коммерческое двигательное оборудование выигрывают от этой естественной характеристики компенсации высоты в турбонагнетателях. Реактивный двигатель сделал поршневой двигатель устаревшим для большинства современных пассажирских самолетов, но турбины по-прежнему применяются в недорогих небольших самолетах, в которых используются поршневые двигатели.
Сегодняшний дизельный двигатель, будь то большой коммерческий дизельный грузовик, землеройный автомобиль или потребительский дизельный пикап, оснащен турбонаддувом. Причины как в мощности, так и в выбросах. Как говорит Гейл Бэнкс: «Дизельный двигатель неполноценен, пока он не имеет турбонаддува». Свойство дизельного топлива иметь высокие BTU (британские тепловые единицы) делает практически невозможным для дизельного двигателя без наддува самостоятельно дышать достаточным количеством воздуха, чтобы полностью сжечь все топливо. Бензин содержит около 125 000 БТЕ на галлон, а дизельное топливо - около 138 000. Я не верю, что в течение почти 30 лет выпускался коммерческий дизельный двигатель (грузовые автомобили классов 4-8) без турбонагнетателя.
Гоночное сообщество открыло для себя турбины много лет назад. Постоянно развивается все больше и больше классов гонок, которые допускают турбокомпрессоры. Спортивный компактный класс в NHRA - один из самых последних примеров этого механизма. В течение многих лет турбины использовались почти исключительно на автодроме Инди, где высокие бюджеты были нормой. Для большинства других гонок спортсмены занимали ряды, а турбины были экзотическими и дорогими и рассматривались как несправедливое преимущество большинством среднестатистических гонщиков. Сейчас это меняется. Хотя турбины по-прежнему дороги, настоящие расходы пионеров приходились на метод проб и ошибок, чтобы получить правильное и оптимизированное соответствие в мире минимальных аппаратных опций. Это уже не так, поскольку турбины широко доступны в различных размерах, чтобы соответствовать практически любой конструкции двигателя.
Сегодня рынок спорта и развлечений полностью покрыт турбинами. Будь то спортивный автомобиль, прогулочный автомобиль или лодка, турбины добавляют удовольствия от вождения. Турбокомпрессор вернется на несколько автомобилей больше, чем имеется в настоящее время, очень скоро, и по одной простой причине - нельзя отрицать эффективность. Более высокие цены на топливо, вероятно, сохранятся, как и растущий спрос на экономию топлива. Для автопроизводителей дешевле производить 6-цилиндровый двигатель с турбонаддувом, чем аналогичный безнаддувный V-8. Меньшие двигатели подходят для меньших транспортных средств, и выигрыш в экономии топлива наблюдается как от меньших двигателей, так и от меньших и легких транспортных средств, где они используются.
Разработка турбокомпрессора была ускорена из-за того, что самолет должен был развивать высокий уровень мощности в более разреженном воздухе, видимом на большой высоте. Скорость турбины увеличивается примерно на 2 процента при увеличении высоты на 1000 футов. И воздушное, и коммерческое двигательное оборудование выигрывают от этой естественной характеристики компенсации высоты в турбонагнетателях. Реактивный двигатель сделал поршневой двигатель устаревшим для большинства современных пассажирских самолетов, но турбины по-прежнему применяются в недорогих небольших самолетах, в которых используются поршневые двигатели.
Сегодняшний дизельный двигатель, будь то большой коммерческий дизельный грузовик, землеройный автомобиль или потребительский дизельный пикап, оснащен турбонаддувом. Причины как в мощности, так и в выбросах. Как говорит Гейл Бэнкс: «Дизельный двигатель неполноценен, пока он не имеет турбонаддува». Свойство дизельного топлива иметь высокие BTU (британские тепловые единицы) делает практически невозможным для дизельного двигателя без наддува самостоятельно дышать достаточным количеством воздуха, чтобы полностью сжечь все топливо. Бензин содержит около 125 000 БТЕ на галлон, а дизельное топливо - около 138 000. Я не верю, что в течение почти 30 лет выпускался коммерческий дизельный двигатель (грузовые автомобили классов 4-8) без турбонагнетателя.
Гоночное сообщество открыло для себя турбины много лет назад. Постоянно развивается все больше и больше классов гонок, которые допускают турбокомпрессоры. Спортивный компактный класс в NHRA - один из самых последних примеров этого механизма. В течение многих лет турбины использовались почти исключительно на автодроме Инди, где высокие бюджеты были нормой. Для большинства других гонок спортсмены занимали ряды, а турбины были экзотическими и дорогими и рассматривались как несправедливое преимущество большинством среднестатистических гонщиков. Сейчас это меняется. Хотя турбины по-прежнему дороги, настоящие расходы пионеров приходились на метод проб и ошибок, чтобы получить правильное и оптимизированное соответствие в мире минимальных аппаратных опций. Это уже не так, поскольку турбины широко доступны в различных размерах, чтобы соответствовать практически любой конструкции двигателя.
Сегодня рынок спорта и развлечений полностью покрыт турбинами. Будь то спортивный автомобиль, прогулочный автомобиль или лодка, турбины добавляют удовольствия от вождения. Турбокомпрессор вернется на несколько автомобилей больше, чем имеется в настоящее время, очень скоро, и по одной простой причине - нельзя отрицать эффективность. Более высокие цены на топливо, вероятно, сохранятся, как и растущий спрос на экономию топлива. Для автопроизводителей дешевле производить 6-цилиндровый двигатель с турбонаддувом, чем аналогичный безнаддувный V-8. Меньшие двигатели подходят для меньших транспортных средств, и выигрыш в экономии топлива наблюдается как от меньших двигателей, так и от меньших и легких транспортных средств, где они используются.
Типы турбонагнетателей
В этом Case-IH MX150 1999 года используется корпус турбины с фиксированной геометрией или со свободным поплавком, что означает отсутствие перепускного клапана или другого типа турбины с изменяемой геометрией. Этот тип турбонаддува является наиболее часто используемым в настоящее время. Двигатель мощностью 130 л.с., рабочий объем 5,9 литра и турбокомпрессор марки Holset H1. В большинстве сельскохозяйственных тракторов таких производителей, как John Deere, Case-IH, Massey Ferguson и т. Д. Мощностью более 100 л.с. используется турбонагнетатель. Все современные дизельные двигатели для шоссейных дорог используют турбокомпрессор, потому что они должны соответствовать нормам по выбросам.
Турбокомпрессор можно использовать по-разному. Предполагаемое использование автомобиля обычно определяет, какой тип турбонаддува лучше всего подходит для двигателя. Наиболее распространенная система - это одинарный турбонаддув, согласованный с определенными оборотами в минуту и мощностью в лошадиных силах.
Gale Banks Engineering производит морской твин-турбо-комплект для Chevy с большим блоком 454 куб.см, который производит почти 900 л.с. Обратите внимание на выпускные коллекторы с водяным охлаждением и сквозной карбюратор.
Установка с двойным турбонаддувом - это узкоспециализированная система, в которой две турбины одинакового размера соответствуют примерно половине потребности двигателя в воздушном потоке. Типичное применение - V-8, где 4 цилиндра питают каждый турбонагнетатель. Этот подход обычно используется для гонок, где требуется быстрое ускорение, и меньшие колеса внутри каждого турбонагнетателя раскручиваются быстрее, чем один большой блок. Он также используется на рынке уличных удилищ из-за красоты дизайна, которая достигается за счет более изысканного и симметричного внешнего вида. Это обычно встречается в моторных отсеках под открытым небом, где строители демонстрируют двигатель так же, как и остальную часть автомобиля.
Мэнни Круз из Бронкса, штат Нью-Йорк, использует пару турбин Garrett GT42 на своем 3,0-литровом двигателе V-6 Mercury Cougar, который участвует в гонках в классе Pro Rear Wheel Drive Sport Compact. Выход компрессора от каждого турбонагнетателя направлен вперед, где они входят в промежуточный охладитель воды и воздуха в алюминиевом корпусе (1), а оттуда доохладитель объединяет воздух от обеих турбонагнетателей в единую трубку наддува (2), которая поступает в двигатель. впускной патрубок (3).
Этот двигатель C15 Caterpillar популярен среди многих автопарков и владельцев-операторов, которым требуется высокая мощность. В этом 15-литровом двигателе используется составная турбо-установка, которую обычно, но неправильно называют твин-турбонаддувом. Близнецы - это две идентичные турбины, каждая из которых рассчитана на расход половинной потребности двигателя в воздушной массе, и каждая турбина напрямую питает двигатель. В системе сложного турбонаддува один турбо подает сигнал на следующий, создавая сложный эффект для создания второй ступени сжатия. Мощность двигателя составляет от 435 л.с. при крутящем моменте 1550 фунт-футов до 625 л.с. при крутящем моменте 2050 фунт-футов. Хотя эти оценки могут показаться не слишком высокими для энтузиастов высокой мощности, инженерный подвиг состоит в том, что эти коммерческие двигатели могут обеспечивать такую мощность в течение всего дня и не требуют перестройки двигателя на пробеге от 500 000 до 1 000 000 миль!
Многоступенчатые (или составные) турбо-системы представляют собой очень экзотический метод турбонаддува и обычно используются в экстремальных условиях, таких как тяга трактора или аналогичные высокопроизводительные приложения. Однако компания Caterpillar производит двигатель для грузовиков мощностью 550 л.с., в котором используются две турбины, включенные вместе для достижения более высоких уровней наддува и плотности воздуха, чем можно было бы надолго достичь с использованием только одного турбонагнетателя. Использование компрессора первой ступени, компрессора второй ступени позволяет получить более высокую плотность воздуха из-за более высокого давления наддува без условия превышения скорости, которое потребовалось бы для достижения такой же степени общего давления из одного турбо. Этот тип системы также содержит то, что инженеры по применению называют «все виды ширины карты», концепция, которая относится к отображаемому диапазону потенциала потока компрессора, обсуждаемому в главе 3. По существу, она имеет запас по турбо помпажу небольшого турбонаддува и выход потока дросселя большего турбо.
Модель Garrett GTP38, как показано, использовалась на 7,3-литровом дизельном двигателе Ford Powerstroke в тяжелых пикапах. В этом турбокомпрессоре использовалось крепление на пьедестале и использовался узел перепускной заслонки, который позволил улучшить отклик на низких частотах.
Прочная конструкция дизельного двигателя может выдерживать такой уровень выходной мощности, а коммерческие дизельные двигатели продаются и оцениваются в лошадиных силах. Независимые водители грузовиков любят более высокую мощность, потому что они никогда не знают, какой будет их следующий груз и будут ли они подниматься в горы. В типичной ступенчатой турбонаддуве выхлоп выходит из первого турбо и входит во второй турбо. Точно так же выход компрессора первой ступени подается на вход турбокомпрессора второй ступени, что очень похоже на двухступенчатый воздушный компрессор в типичной мастерской. Съемники тракторов использовали эти типы двух-, трех- и даже четырехступенчатых турбо-систем для создания невероятно высоких давлений и уровней мощности, которые двигатели не могли выдержать в рабочих условиях.
Фактически, во многих случаях они не выдерживают даже одного полного рывка! Давление, наблюдаемое в этих экстремальных приложениях, часто достигает более 7 Бар, в то время как в других случаях уровень наддува достигает 14 Бар!
В другом варианте одинарной турбо-системы используется перепускной клапан. Перепускная заслонка расположена либо внутри корпуса турбины, либо как дополнительное устройство, которое устанавливается в выпускном коллекторе перед турбиной. Перепускная заслонка применяется в таких приложениях, как автомобиль, где турбонаддув требуется при более низких оборотах двигателя, поэтому используется небольшая турбина. Тем не менее, естественные рабочие обороты двигателя находятся в широком диапазоне и часто достигают такого объема выхлопного потока, который приводит к превышению скорости турбины и дросселированию двигателя. Перепускная заслонка обеспечивает простой байпас, при котором клапан открывается в заданной точке и позволяет отводить избыточную энергию выхлопных газов. Это позволяет большему потоку выхлопных газов проходить через турбину вместо того, чтобы блокировать двигатель, а также позволяет контролировать наддув, поскольку регулируется мощность, приводящая в действие компрессор.
Затворы являются жизненно важным компонентом любого бензинового двигателя из-за широкого диапазона рабочих оборотов. В новейшей истории перепускные клапаны также использовались на нескольких коммерческих и потребительских дизелях. Вестгейт - простейшая форма переменной геометрии. Они широко используются и обладают хорошей приемлемостью и долговечностью в большинстве приложений, но есть более совершенная концепция.
Фактически, во многих случаях они не выдерживают даже одного полного рывка! Давление, наблюдаемое в этих экстремальных приложениях, часто достигает более 7 Бар, в то время как в других случаях уровень наддува достигает 14 Бар!
В другом варианте одинарной турбо-системы используется перепускной клапан. Перепускная заслонка расположена либо внутри корпуса турбины, либо как дополнительное устройство, которое устанавливается в выпускном коллекторе перед турбиной. Перепускная заслонка применяется в таких приложениях, как автомобиль, где турбонаддув требуется при более низких оборотах двигателя, поэтому используется небольшая турбина. Тем не менее, естественные рабочие обороты двигателя находятся в широком диапазоне и часто достигают такого объема выхлопного потока, который приводит к превышению скорости турбины и дросселированию двигателя. Перепускная заслонка обеспечивает простой байпас, при котором клапан открывается в заданной точке и позволяет отводить избыточную энергию выхлопных газов. Это позволяет большему потоку выхлопных газов проходить через турбину вместо того, чтобы блокировать двигатель, а также позволяет контролировать наддув, поскольку регулируется мощность, приводящая в действие компрессор.
Затворы являются жизненно важным компонентом любого бензинового двигателя из-за широкого диапазона рабочих оборотов. В новейшей истории перепускные клапаны также использовались на нескольких коммерческих и потребительских дизелях. Вестгейт - простейшая форма переменной геометрии. Они широко используются и обладают хорошей приемлемостью и долговечностью в большинстве приложений, но есть более совершенная концепция.
Введение в турбокомпрессоры с изменяемой геометрией
Посмотрите на внутреннюю работу турбины с изменяемой геометрией с вырезанным корпусом турбины. Ряд лопаток расположен на унисонном кольце, которое вращается, чтобы открывать и закрывать лопатки, тем самым регулируя количество энергии выхлопных газов, позволяющее достичь турбинного колеса.
Изменяемая геометрия - это конструкция турбины, позволяющая изменять ее геометрический размер и, следовательно, ее способность поглощать поток выхлопных газов. Турбины с изменяемой геометрией или VG - это гораздо более сложная форма турбонаддува. Сегодняшние высокоскоростные дизели и бензиновые автомобили требуют более высокой эффективности. Вейстгейт делает именно то, что подразумевает его название, тратит впустую энергию, которую в противном случае можно было бы использовать в качестве энергии для привода компрессора. Турбокомпрессоры VG работали еще в середине 80-х, но производственные затраты и технология составления карты топлива означали, что VG еще не была готова к работе. В турбине VG ряд лопаток расположен вокруг корпуса турбины таким образом, чтобы дросселировать объем и давление выхлопных газов, когда они входят в колесо турбины. Он работает так же, как наконечник распылителя для садового шланга, где вы можете изменять открывающуюся насадку в любом месте от почти закрытого до широко открытого. Это позволяет одной и той же турбине действовать как небольшая турбина на низких оборотах двигателя и как большая турбина на высоких оборотах двигателя. В отличие от вестгейта, с VG вся энергия передается на турбинное колесо для создания мощности.
Турбины с изменяемой геометрией обеспечивают небольшое повышение эффективности по сравнению с такими же колесами и корпусами турбины без VG. Это результат того, что лопатки расположены под наиболее оптимальным углом наклона относительно турбинного колеса. Испытания показали примерно двухпроцентный прирост КПД турбины с VG.
Турбины с изменяемой геометрией обеспечивают небольшое повышение эффективности по сравнению с такими же колесами и корпусами турбины без VG. Это результат того, что лопатки расположены под наиболее оптимальным углом наклона относительно турбинного колеса. Испытания показали примерно двухпроцентный прирост КПД турбины с VG.
Это двигатель Cummins ISX в приложении для грузовиков Kenworth. В этом коммерческом дизельном двигателе последней модели, сертифицированном по выбросам, используется турбонагнетатель Holset с изменяемой геометрией, позволяющий создавать мощность от 385 л.с. и пикового крутящего момента 1550 фут-фунтов до 600 л.с. при 1850 фут-фунтах при 1200 об / мин.
Коммерческие применения турбин VG теперь доступны на рынке. Detroit Diesel Corporation использует VG в своих нынешних коммерческих дизельных двигателях Series-60. Последние дизельные двигатели GM Duramax, Dodge / cummins и Ford Power Stroke в пикапах и дизельных грузовиках среднего класса также используют турбины VG. В то время как эти приложения используют VG для целей повышения эффективности и снижения выбросов, тот факт, что VG сейчас стал основным, означает, что это только вопрос времени, когда его использование изменит лицо высокопроизводительного турбонаддува на рынке запчастей для автомобилей.
На сегодняшний день бензиновые двигатели применяются очень мало. VG, используемый в большинстве серийных двигателей, в настоящее время применяется и для дизельных двигателей. Дизель работает при значительно более низких температурах выхлопных газов, чем бензин. Текущие конструкции VG не очень совместимы с бензином. Но применение VG к бензину - вопрос не столько осуществимости, сколько доступности. В современных компонентах VG используются детали с высоким содержанием никеля. Использование кобальта, вероятно, будет успешным и долговечным для бензина, но значительно увеличит стоимость производства. Альтернативные конструкции для бензиновых двигателей оцениваются, чтобы найти более дешевые методы длительного применения VG. Одной из таких идей является конструкция, в которой вместо ряда лопаток продольно-скользящее отверстие постепенно увеличивает и уменьшает вход порта от корпуса турбины к концам лопаток турбинного колеса. В турбокомпрессорах марки Holset используется этот тип VG, который в настоящее время производится на дизельном двигателе Cummins 2007 года в грузовиках Dodge.
На сегодняшний день бензиновые двигатели применяются очень мало. VG, используемый в большинстве серийных двигателей, в настоящее время применяется и для дизельных двигателей. Дизель работает при значительно более низких температурах выхлопных газов, чем бензин. Текущие конструкции VG не очень совместимы с бензином. Но применение VG к бензину - вопрос не столько осуществимости, сколько доступности. В современных компонентах VG используются детали с высоким содержанием никеля. Использование кобальта, вероятно, будет успешным и долговечным для бензина, но значительно увеличит стоимость производства. Альтернативные конструкции для бензиновых двигателей оцениваются, чтобы найти более дешевые методы длительного применения VG. Одной из таких идей является конструкция, в которой вместо ряда лопаток продольно-скользящее отверстие постепенно увеличивает и уменьшает вход порта от корпуса турбины к концам лопаток турбинного колеса. В турбокомпрессорах марки Holset используется этот тип VG, который в настоящее время производится на дизельном двигателе Cummins 2007 года в грузовиках Dodge.
Будущее
Турбины Holset Brand используют несколько иной дизайн в их переменной геометрии. Вместо самих лопаток, приводимых в действие унисонным кольцом, лопатки остаются в фиксированном и оптимальном аэродинамическом положении. Кожух перемещается по лопаткам с фиксированным положением, чтобы постепенно открывать и закрывать отверстие, ведущее от улитки корпуса турбины через лопатки, чтобы дросселировать турбину для работы на низких оборотах или открыть проглатывающую способность для работы на высоких оборотах.
Будущее турбокомпрессоров очень динамично. Сегодня карбюраторы - это далекие воспоминания на улице, и впрыск топлива царит безраздельно. Выбросы, долговечность двигателя и совместимость с турбонаддувом значительно улучшены за счет использования электронного впрыска топлива. Ушли в прошлое монстры крутящего момента с большим диаметром цилиндра 60-х и 70-х годов. Сегодняшние усовершенствованные двигатели меньше по размеру и вырабатывают больше лошадиных сил на кубический дюйм, чем когда-либо прежде.
Турбокомпрессоры стали намного более совершенными. Доступен широкий выбор турбо-моделей и диапазонов расхода. Фиксированная геометрия, турбины с перепускными клапанами и даже полностью изменяемая геометрия сейчас находятся в производстве для многих приложений. Современные материалы и конструкции решают несколько проблем прошлого, и заставить двигатель работать с его системой турбонаддува теперь может практически любой человек благодаря доступным системным компонентам и встроенным электронным системам управления двигателем и вспомогательным системам.
Турбокомпрессоры стали намного более совершенными. Доступен широкий выбор турбо-моделей и диапазонов расхода. Фиксированная геометрия, турбины с перепускными клапанами и даже полностью изменяемая геометрия сейчас находятся в производстве для многих приложений. Современные материалы и конструкции решают несколько проблем прошлого, и заставить двигатель работать с его системой турбонаддува теперь может практически любой человек благодаря доступным системным компонентам и встроенным электронным системам управления двигателем и вспомогательным системам.
В Garrett LST (Low-Speed Turbo) используются два отдельных колеса компрессора, приводимые в движение одной турбиной. Они расположены в компоновке первой и второй ступеней для достижения более высоких давлений наддува при более низких скоростях вала. Это снижает нагрузку на крыльчатку компрессора и продлевает срок службы. Рабочее колесо компрессора первой ступени изготовлено из алюминия, а вторая ступень - из титана, который лучше выдерживает высокую температуру от первой ступени во время сжатия второй ступени.
В новом Garrett SST (Single-Sequential Turbo) используются два колеса компрессора Siamesed, сформированные в одно литое колесо, приводимые в движение общим валом турбины. Обратите внимание на то, как каждое колесо компрессора выходит в общую улитку в крышке компрессора.
В то время как сегодняшние высокопроизводительные послепродажные продукты являются очень продвинутыми и допускают превосходную настройку турбонагнетателя, управление перепускными клапанами по-прежнему является доминирующим средством настройки двигателя с турбонаддувом для обеспечения высокого крутящего момента на низких оборотах, при этом позволяя двигателям развивать свой потенциал. Я помню Стива Арнольда, директора по инновациям и новым концепциям Honeywell Turbo Technologies, который более 25 лет назад называл вестгейт «устройством с удачным названием». Полностью изменяемая геометрия теперь применяется в серийных автомобилях. Большинство выпускаемых новых коммерческих и потребительских дизелей оснащены турбонагнетателями с изменяемой геометрией. Хотя нынешнее использование изменяемой геометрии в основном применяется к дизельным двигателям, это лишь вопрос времени, когда дальнейшее совершенствование материалов и дизайна станет основным направлением в бензиновых автомобилях.
К 2010 году начнется производство новых концепций дизайна, таких как новый Low Speed Turbo (LST) от Garrett. LST - это творческая концепция, в которой используются два последовательно включенных компрессора или составных компрессоров, спроектированных как единое целое в одной крышке компрессора, приводимой в действие общей турбиной. LST способен комфортно достигать более высоких давлений без превышения скорости турбонагнетателя и ограничения его долговечности. Фактически, соотношение давлений 6: 1 вполне укладывается в эту конструктивную концепцию, а диапазон расхода компрессора от помпажа до дросселя почти вдвое больше, чем у его одноступенчатого колеса аналогичного размера. LST, применяемый с турбиной с изменяемой геометрией, будет иметь некоторые интересные применения на вторичном рынке.
Еще один новый дизайн, который, вероятно, будет запущен в производство в 2010 году, - это однопоследовательный турбо Garrett (SST). В этой конструкции по существу используются два компрессорных колеса в одной отливке, которые имеют общую заднюю стенку. Два компрессора работают параллельно. Их применение предназначено для двигателей с высоким BMEP (среднее эффективное давление в тормозной системе), которые имеют широкий диапазон скоростей, таких как турбодизели, используемые в легких пикапах, внедорожниках и легковых автомобилях. Из-за того, что сдвоенные колеса компрессора движутся параллельно, общая масса ротора и результирующий момент инерции уменьшаются примерно на 40 процентов. Это напрямую влияет на турбоускорение. Отношение дросселя к помпажу составляет примерно 3: 1, а выигрыш в КПД турбины от этой конструкции компрессора находится в диапазоне 10 процентных пунктов, что является огромным выигрышем.
Рынок автозапчастей всегда будет нуждаться в его лошадиных силах. Сегодняшний турбокомпрессор - это высокотехнологичный компонент двигателя, который обладает большой сексуальной привлекательностью и привлекательностью для редуктора. Турбокомпрессоры завтрашнего дня продолжат тенденцию еще большего совершенства и повышения эффективности.
К 2010 году начнется производство новых концепций дизайна, таких как новый Low Speed Turbo (LST) от Garrett. LST - это творческая концепция, в которой используются два последовательно включенных компрессора или составных компрессоров, спроектированных как единое целое в одной крышке компрессора, приводимой в действие общей турбиной. LST способен комфортно достигать более высоких давлений без превышения скорости турбонагнетателя и ограничения его долговечности. Фактически, соотношение давлений 6: 1 вполне укладывается в эту конструктивную концепцию, а диапазон расхода компрессора от помпажа до дросселя почти вдвое больше, чем у его одноступенчатого колеса аналогичного размера. LST, применяемый с турбиной с изменяемой геометрией, будет иметь некоторые интересные применения на вторичном рынке.
Еще один новый дизайн, который, вероятно, будет запущен в производство в 2010 году, - это однопоследовательный турбо Garrett (SST). В этой конструкции по существу используются два компрессорных колеса в одной отливке, которые имеют общую заднюю стенку. Два компрессора работают параллельно. Их применение предназначено для двигателей с высоким BMEP (среднее эффективное давление в тормозной системе), которые имеют широкий диапазон скоростей, таких как турбодизели, используемые в легких пикапах, внедорожниках и легковых автомобилях. Из-за того, что сдвоенные колеса компрессора движутся параллельно, общая масса ротора и результирующий момент инерции уменьшаются примерно на 40 процентов. Это напрямую влияет на турбоускорение. Отношение дросселя к помпажу составляет примерно 3: 1, а выигрыш в КПД турбины от этой конструкции компрессора находится в диапазоне 10 процентных пунктов, что является огромным выигрышем.
Рынок автозапчастей всегда будет нуждаться в его лошадиных силах. Сегодняшний турбокомпрессор - это высокотехнологичный компонент двигателя, который обладает большой сексуальной привлекательностью и привлекательностью для редуктора. Турбокомпрессоры завтрашнего дня продолжат тенденцию еще большего совершенства и повышения эффективности.
