Принцип работы турбины на дизельном двигателе

Турбонаддув обязан свои появлением пресловутой немецкой рачительности и практичности во всём. Ещё Рудольфу Дизелю и Готлибу Даймлеру, в конце XIX века, не давал покоя такой вопрос. Как же так: выхлопные газы просто так выбрасываются в трубу, а энергия, которой они обладают, не приносит никакой пользы? Непорядок… В веке двадцать первом, двигатели, оснащённые турбиной, давно перестали быть экзотикой и используются повсеместно, на самой разной технике. Почему турбины получили распространение прежде всего на дизельных двигателях и каков принцип работы этих полезных агрегатов, разберём далее – в строго научно-популярной, но наглядной и понятной каждому форме.

Об истории изобретения и внедрения турбонаддува

Итак, идея «пустить в дело» энергию отработанных выхлопных газов появилась уже вскоре после изобретения и успешных опытов применения двигателей внутреннего сгорания. Немецкие инженеры и первопроходцы автомобиле- и тракторостроения, во главе с Дизелем и Даймлером, провели первые опыты по повышению мощности двигателя и снижению расхода топлива с помощью нагнетания сжатого воздуха от выхлопов.

Готдиб Даймлер выпускал вот такие автомобили, а уже задумывался о внедрении системы турбонаддува

Но первым, кто построил первый эффективно работающий турбокомпрессор, стали не они, а другой инженер – Альфред Бюхи. В 1911 году он получил патент на своё изобретение. Первые турбины были таковы, что использовать их было возможно и целесообразно только на крупных двигателях (например, судовых).

Далее турбокомпрессоры начали использоваться в авиационной промышленности. Начиная с 30-х годов ХХ века, в Соединённых Штатах регулярно запускались в «серию» военные самолёты (как истребители, так и бомбардировщики), бензиновые двигатели которых были оснащены турбонагнетателями. А первая в истории грузовая автомашина с турбированным дизельным мотором была сделана в 1938 году.

В 60-е годы корпорация «Дженерал Моторс» выпустила первые легковые «Шевроле» и «Олдсмобили» с бензиновыми карбюраторными двигателями, оснащёнными турбонаддувом. Надежность тех турбин была невелика, и они быстро исчезли с рынка.

Oldsmobile Jetfire 1962 года – первый серийный автомобиль с турбонаддувом

Мода на турбированные моторы вернулась на рубеже 70-х/80-х, когда турбонаддув начали широко использовать в создании спортивных и гоночных автомобилей. Приставка «турбо» стала чрезвычайно популярной и превратилась в своеобразный лейбл. В голливудских фильмах тех лет супергерои нажимали на панелях своих суперкаров «магические» кнопки «турбо», и машина уносилась вдаль. В реальной же действительности турбокомпрессоры тех лет ощутимо «тормозили», выдавая существенную задержку реакции. И, кстати, не только не способствовали экономии топлива, а наоборот, увеличивали его расход.

Труженик советских полей – трактор К-701 «Кировец» с турбонаддувом

Первые действительно успешные попытки внедрения турбонаддува в производство автомобильных двигателей серийного производства осуществили в начале 80-х годов «SAAB» и «Mercedes». Этим передовым опытом не замедлили воспользоваться и другие мировые машиностроительные компании.

Почему в итоге турбины получили распространение именно на дизельных, а не бензиновых двигателях? Потому что дизельные моторы имеют гораздо большую степень сжатия воздуха, а их выхлопные газы – более низкую температуру. Соответственно, требования к жаропрочности турбины гораздо меньше, а её стоимость и эффективность использования – гораздо больше.

Устройство системы турбонаддува

Система турбонаддува состоит из двух частей: из турбины и турбокомпрессора. Турбина служит для преобразования энергии отработанных газов, а компрессор – непосредственно для подачи многократно сжатого атмосферного воздуха в рабочие полости цилиндров. Главные детали системы – два лопастных колеса, турбинное и компрессорное (так называемые «крыльчатки»). Турбокомпрессор представляет собой технологичный насос для воздуха, приводимый в действие вращением ротора турбины. Единственная его задача – нагнетание сжатого воздуха в цилиндры под давлением.

Составные части устройства турбонаддува:

• корпус компрессора;
• компрессорное колесо;
• вал ротора, или ось;
• корпус турбины;
• турбинное колесо;
• корпус подшипников.

Основа системы турбонаддува – это ротор, закреплённый на специальной оси и заключённый в особый жаропрочный корпус. Беспрерывный контакт всех составных частей турбины с чрезвычайно раскалёнными газами определяет необходимость создания как ротора, так и корпуса турбины из специальных жаропрочных металлосплавов.

Крыльчатка и ось турбины вращаются с очень высокой частотой и в противоположных направлениях. Это обеспечивает плотный прижим одного элемента к другому. Поток отработанных газов проникает вначале в выпускной коллектор, откуда попадает в специальный канал, что расположен в корпусе турбо-нагнетателя. Форма его корпуса напоминает панцирь улитки. После прохождения этой «улитки» отработанные газы с разгоном подаются на ротор. Так и обеспечивается поступательное вращение турбины.

Ось турбонагнетателя закреплена на специальных подшипниках скольжения; смазка осуществляется подачей масла из системы смазки моторного отсека. Уплотнительные кольца и прокладки препятствуют утечкам масла, а также прорывам воздуха и отработанных газов, а также их смешиванию. Конечно, полностью исключить попадание выхлопа в сжатый атмосферный воздух не удаётся, но в этом и нет большой необходимости…

Как работает турбина дизельного двигателя

Мощность любого двигателя и производительность его работы зависит от целого ряда причин. А именно: от рабочего объёма цилиндров, от количества подаваемой воздушно-топливной смеси, от эффективности её сгорания, а также от энергетической части топлива. Мощность двигателя возрастает пропорционально росту количества сжигаемого в нём за определённую единицу времени горючего. Но для ускорения сгорания топлива необходимо увеличение запаса сжатого воздуха в рабочих полостях мотора.

То есть, чем больше за единицу времени сжигается горючего, тем большее количество воздуха потребуется «впихнуть» в мотор (не очень красивое слово «впихнуть» здесь, тем не менее, очень хорошо подходит, поскольку сам мотор не справится с забором избыточного количества сжатого воздуха, и фильтры нулевого сопротивления в этом ему не помогут).

В этом, повторимся, и состоит основное назначение турбонаддува – в наращивании подачи воздушно-топливной смеси в камеры сгорания. Это обеспечивается нагнетанием сжатого воздуха в цилиндры, которое происходит под постоянным давлением. Оно происходит вследствие преобразования энергии отработанных газов, проще говоря, из бросовой и утерянной – в полезную. Для этого, прежде чем выхлопные газы должны быть выведены в выхлопную трубу, а далее и, соответственно, в атмосферу, их поток направляется через систему турбокомпрессора.

Этот процесс обеспечивает раскручивание колеса турбины («крыльчатки»), снабжённого специальными лопастями, до 100-150ти тысяч оборотов в минуту. На одном валу с крыльчаткой закреплены и лопасти компрессора, которые нагнетают сжатый воздух в цилиндры двигателя. Полученная от преобразования энергии выхлопных газов сила используется для значительного увеличения давления воздуха. Благодаря чему и появляется возможность впрыскивания в рабочие полости цилиндров гораздо большего количества топлива за фиксированное время. Это даёт значительное увеличение как мощности, так и КПД дизеля.

Дизельная турбина в разрезе

Проще говоря, турбосистема содержит две лопастных «крыльчатки», закреплённых на одном общем валу. Но находящихся при этом в отдельных камерах, герметично отделённых друг от друга. Одна из крыльчаток вынуждена вращаться от постоянно поступающих на её лопасти выхлопных газов двигателя. Поскольку вторая крыльчатка с нею жёстко связана, то и она также начинает вращаться, захватывая при этом атмосферный воздух и подавая его в сжатом виде в цилиндры двигателя.

Необходимые дополнения в состав системы турбонаддува: клапаны, интеркулер

Не один десяток лет потребовался инженерам, чтобы создать действительно эффективно работающий турбокомпрессор. Ведь это только в теории всё выглядит гладко: от преобразования энергии отработанных газов можно «вернуть» утерянный процент КПД и значительно увеличить мощность двигателя (например, со ста до ста шестидесяти лошадиных сил). Но на практике подобного почему-то не получалось.

Кроме того, при резком нажатии на акселератор приходилось ждать увеличения оборотов мотора. Оно происходило только через некоторую паузу. Рост давления выхлопных газов, раскрутка турбины и загонку сжатого воздуха происходили не сразу, а постепенно. Данное явление, именуемое «turbolag» («турбояма») никак не удавалось укротить. А справиться с ним получилось, применив два дополнительных клапана: один – для перепускания излишнего воздуха в компрессор через трубопровод из двигательного коллектора. А другой клапан – для отработанных газов. Да и в целом, современные турбины с изменяемой геометрией лопаток даже своей формой уже значительно отличаются от классических турбин второй половины ХХ века.

Дизельный турбокомпрессор «Бош»

Другая проблема, которую пришлось решать при развитии технологий дизельных турбин, состояла в избыточной детонации. Детонация эта возникала из-за резкого увеличения температуры в рабочих полостях цилиндров при нагнетании туда дополнительных масс сжатого воздуха, особенно на завершающей стадии такта. Решать данную проблему в системе призван промежуточный охладитель наддувочного воздуха (интеркулер).

Кроме того, современная система турбонаддува двигателя не обходится без:

• регулировочного клапана (wastegate). Он служит для поддержания оптимального давления в системе, и для его сброса , при необходимости, в приёмную трубу;
• перепускного клапана (bypass-valve). Его предназначение – отвод наддувочного воздуха назад во впускные патрубки до турбины, если нужно снизить мощность и дроссельная заслонка закрывается;
• и/или «стравливающего» клапана (blow-off-valve). Который стравливает наддувочный воздух в атмосферу в том случае, если дроссель закрывается и датчик массового расхода воздуха отсутствует;
• выпускного коллектора, совместимого с турбокомпрессором;
• герметичных патрубков: воздушных для подачи воздуха во впуск, и масляных – для охлаждения и смазки турбокомпрессора.

Применение турбонаддува в мировом машиностроении

На дворе двадцать первый век, и никто уже не гонится за тем, чтобы название его легкового автомобиля было с модной в веке ХХ-м приставкой «турбо». Никто и не верит более в «магическую силу турбины» для резкого ускорения автомобиля. Смысл применения и эффективность работы системы турбонаддува всё-таки не в этом.

Разумеется, наиболее эффективен турбонаддув при его использовании на двигателях тракторов и тяжёлых грузовиков. Он позволяет добавить мощности и крутящего момента без возникновения перерасхода топлива, что очень важно для экономических показателей эксплуатации техники. Там он и используется. Нашли своё широкое применение турбосистемы также на тепловозных и судовых дизелях. И это наиболее мощные из созданных человеком турбин для дизельного двигателя.

ТУРБОНАДДУВ (ТУРБИНА) ДВИГАТЕЛЯ: ВИДЫ, КОНСТРУКЦИЯ, ПРИНЦИП РАБОТЫ, ПЛЮСЫ И МИНУСЫ

Добрый день, сегодня мы узнаем, что такое турбонаддув (турбина) двигателя внутреннего сгорания, каков принцип работы, конструкция, а также, какими плюсами и минусами обладают системы наддува мотора. Кроме того, в статье мы выясним, какие существуют виды систем наддува двигателя и, чем они отличаются. В заключении мы наглядно рассмотрим типовую схему функционирования турбонаддува силового агрегата.

Как мы знаем, мощность двигателя зависит от количества воздуха и смешанного с ним топлива, которое может быть доставлено в мотор. Если мы хотим увеличить мощность двигателя, необходимо увеличить как количество подаваемого воздуха, так и топлива. Подача большего количества топлива не имеет никакого эффекта до тех пор, пока не будет необходимого для его сгорания количество воздуха, иначе образуется избыток не сгоревшего топлива, что приводит к перегреву двигателя и повышенной непрозрачности или дымности от отработанных выхлопных газов, причем также, как это происходит при масложоре.

1. ОСОБЕННОСТИ И КОМПОНЕНТЫ ТУРБОНАДДУВА ДВИГАТЕЛЯ

Увеличение мощности двигателя может быть достигнуто путем увеличения либо его рабочего объема, либо частоты вращения коленчатого вала. Увеличение смещения увеличивает вес, размеры двигателя и, в конечном счете, его стоимость. Увеличение частоты вращения коленчатого вала проблематично из-за возникших технических проблем, особенно для двигателей с большим объемом.

Технически приемлемым решением проблемы увеличения мощности является использование нагнетателя (компрессора). Это означает, что поступающий в двигатель воздух сжимается перед входом в камеру сгорания. Другими словами, компрессор обеспечивает подачу необходимого количества воздуха, достаточного для полного сгорания увеличенной дозы топлива. Следовательно, при предыдущем рабочем объеме и той же частоте вращения коленчатого вала мы получаем больше мощности.

Существует две основные системы наддува: с механическим приводом, которая отражена ниже на изображении “A” и просто “турбо”, отражена на рисунке “B” (использующие энергию отработавших газов). Кроме того, существуют также комбинированные системы, например, турбо компаундная, отображена на рисунке “в”. Ниже на фото наглядно продемонстрированы вышеописанные системы наддува двигателя.

В случае компрессора с механическим приводом необходимое давление воздуха получают благодаря механической связи между коленчатым валом двигателя и компрессором. Давление воздуха турбокомпрессора достигается за счет вращения потока выхлопных газов турбины. Турбокомпрессор состоит из двух турбин впрыска и привод, соединенный с валом. Вал установлен на двух подшипниках, которые постоянно подается масло, оказывающие охлаждающее и смазочную поддержку.

Обе турбины вращаются в одном направлении и с одинаковой скоростью. Выходящие из цилиндров двигателя отработавшие газы имеют высокую температуру и давление. Они ускоряются до высокой скорости (около 10 000 оборотов в минуту) и соприкасаются с лопастным приводным колесом, и преобразуют свою кинетическую энергию в механическую вращательную энергию (крутящий момент). С такой же скоростью и давлением вращается колесо турбины, которое подает сжатый воздух в двигатель. Разрядное колесо сконструировано таким образом, что уже при небольшом расходе выхлопных газов достигается достаточное давление нагнетаемого воздуха. При полной нагрузке двигатель достигает максимального избыточного давления (от 1,1 до 1,6 атмосфер); при этом обороты двигателя составляют около 2000 оборотов в минуту и остаются постоянными при дальнейшем наборе частоты вращения до максимальной.

Между двигателем и турбокомпрессором имеется соединение только через поток выхлопных газов. Частота вращения турбины напрямую не зависит от скорости вращения коленчатого вала двигателя и характеризуется некоторой инерцией, то есть увеличением подачи топлива, увеличением энергии выхлопного потока, а затем увеличением частоты вращения турбины и напором разряда, а мотор, следовательно, получает больше воздуха в цилиндры, что позволяет увеличить подачу топлива. Ниже на фото продемонстрирована схема типового турбокомпрессора и его основных элементов.

Основные компоненты турбокомпрессора: 1 – трубопровод для подачи сжатого воздуха от турбины к диафрагме; 2 – нагнетательное колесо турбины; 3 – корпус нагнетательного колеса; 4 – промежуточный корпус; 5 – сбрасывающий клапан; 6 – диафрагма; 7 – пружина; 8 – диафрагменная камера; 9 – приводное колесо; 10 – корпус турбонагнетателя; 11, 12 – опоры; А – подача воздуха от воздушного фильтра; B – подача воздуха к впускным клапаном; C – обводной канал сбрасывающего клапана для ограничения давления нагнетания; D – подача отработавших газов от двигателя; E – подача отработавших газов к выпускной системе; H – подача смазки; J – отвод смазки; K – подача сжатого воздуха для открытия сбрасывающего клапана.

2. ПРИНЦИП РАБОТЫ, ПЛЮСЫ И МИНУСЫ СИСТЕМ ТУРБОНАДДУВА

Для предотвращения нарастания давления более, чем необходимо на высоких оборотах двигателя, в компрессоре находится специальное устройство, состоящее из разгрузочного клапана и диафрагмы с пружиной, которое обеспечивает контроль давления и оборотов мотора. Полость перед мембраной связана с давлением поступающего воздуха через трубопровод. С увеличением давления, которое происходит с нарастанием частоты вращения коленчатого вала, диафрагма сгибается, сжимая пружину опуская и открывая клапан. Выхлопные газы таким образом проходят через дополнительный обводной канал с тем, чтобы снизить скорость вращения приводного колеса турбины, а значит и разгрузочного колеса. Повышение давления становится постоянным.

Для двигателей, работающих в широком диапазоне скоростей (например, в легковом автомобиле), высокое давление наддува желательно даже на низких оборотах. Поэтому будущее принадлежит турбокомпрессорам с регулируемым давлением. Небольшой диаметр современных турбин и специальные сечения газовых каналов способствуют уменьшению инерционности, то есть турбина очень быстро разгоняется, и давление воздуха очень быстро достигает требуемого показателя.

Для удовлетворения все возрастающих требований, которые необходимы для автомобильной техники в областях потребления топлива, выбросов выхлопных газов и шума, сегодня проектируются и разрабатываются электронные системы контроля за наддувом.

На первом этапе, исходя из определенного количества параметров, таких как температура охлаждающей жидкости, масла, впускной воздух и выхлопные газы происходит анализ состояния двигателя. Кроме того, измеряются обороты двигателя, положение педали акселератора и другие параметры. Все эти данные анализируются компьютером и используются для определения оптимума в условиях давления наддува на мотор.

На втором этапе значение давления передается исполнительным устройствам, контролирующим этот показатель во впускной системе. При определении этого давления также учитываются критические условия работы двигателя, в частности, детонация. Акустические датчики позволяют определить даже самовозгорание в системах мотора. Давление наддува в этом случае уменьшается. Эта операция повторяется до тех пор, пока детонация не исчезнет. Когда детонация остановится, давление наддува снова возрастет до исходного значения. Компьютер также определяет идеальное давление наддува в случае повторяющейся детонации, возникающей, например, из-за использования некачественного топлива.

Электромагнитный клапан получает электрический сигнал, который определяет время его открытия, и работает, соответственно, как специальный регулятор турбины. Таким образом, мембрана действует не на все давление наддува, а только на ее небольшую часть. Данный момент зависит от положения электромагнитного клапана.

При нажатии на педаль акселератора компьютер выдает команду закрыть клапан и все выхлопные газы заходят в турбину, вызывая повышение давления наддува и мотор развивает значительную мощность, что делает возможным быстро ускориться автомобилю. После достижения желаемой скорости сбрасывающий клапан открывается, и давление наддува становится стандартным. Ниже на фото продемонстрирована принципиальная схема электронного управления турбонаддувом.

Вариантом системы наддува для двигателей легковых автомобилей является волновой нагнетатель воздуха, также известный, как Comprex. Двигатель, управляемый через зубчатый ремень, делится на секции, ротор вращается в цилиндрическом корпусе с торцами прорезных окон для прохождения свежего воздуха и выхода выхлопных газов. Система окон и полостей выполнена особым образом, что позволяет волнам давления выхлопного потока преобразовать под давлением поток свежего воздуха. Ниже на изображении наглядно отображен волновой нагнетатель системы турбонаддува.

Основные элементы волнового нагнетателя системы наддува двигателя: 1 – поток свежего воздуха под высоким давлением; 2 – зубчатый ремень; 3 – поток свежего воздуха под низким давлением; 4 – поршень двигателя; 5 – поток отработавших газов под высоким давлением; 6 – поток отработавших газов под низким давлением; 7 – ротор; 8 – щелевые окна.

Существенным достоинством волнового нагнетателя является непосредственный газодинамический энергообмен между отработавшими газами и свежим воздухом без участия каких-либо промежуточных механизмов. Такой энергообмен происходит со звуковой и сверхзвуковой скоростью. Волновой обменник, как и механический нагнетатель, автоматически реагирует на изменения нагрузки изменением давления наддува. При постоянном передаточном отношении между двигателем и волновым нагнетателем, энергооб­мен оптимален только для одного рабочего режима.

Для устранения вышеописанного недостатка, на торцах корпуса имеется ряд воздушных «карманов» разной формы и размера, благодаря которым диапазон оптимальной работы нагнетателя расширяется. Кроме того, это позволяет достичь благоприят­ного протекания кривой крутящего момента, чего невозможно добиться при помощи других методов наддува.

Нагнетатель волнового типа по сравнению с другими устройствами наддува требует много места для ременной передачи и систем трубопроводов. Это усложняет возможность его установки в подкапотном пространстве автомобиля. Однако для дизельных двигателей используется турбонаддув с изменяемой геометрией турбины, который позволяет ограничить поток выхлопных газов через турбину при высокой частоте вращения коленчатого вала двигателя. Ниже на изображение наглядно продемонстрирован принцип работы волнового турбонаддува.

Основные фазы и компоненты участвующие в работе волнового наддува двигателя: а – положение направляющих лопаток при высокой скорости потока отработавших газов; б – положение направляющих лопаток при низкой скорости потока отработавших газов; 1 – крыльчатка турбины; 2 – управляющее кольцо; 3 – подвижные направляющие лопатки соплового аппарата; 4 – управляющий рычаг; 5 – управляющий пневматический цилиндр; 6 – поток отработавших газов.

Подвижные направляющие лопатки соплового типа изменяют сечение каналов, через которые отработанные газы устремляются на крыльчатку турбины. Они соприкасаются в турбине и происходит выброс газа под давлением с желаемым повышающим коэффициентом. При низкой нагрузке двигателя подвижные лопасти открывают небольшое поперечное сечение каналов, так что повышается давление выхлопа назад. Поток газов в турбине развивается на высокой скорости, обеспечивая высокую скорость вала нагнетателя. Поток выхлопных газов действует на более удаленную от оси вала область лопаток крыльчатки турбины.

Таким образом, имеется большая моментная нагрузка на рукоятку, которая увеличивает крутящий момент. При высокой нагрузке направляющие лопатки открывают большее поперечное сечение каналов, что снижает скорость течения потока выхлопных газов. В результате этого турбо нагнетатель при равном количестве выхлопных газов меньше ускоряется и работает с меньшей частотой при большем количестве газов. Этот метод ограничивает давление наддува. Поворачивая кольцо управления, он изменяет угол наклона лопастей, которое устанавливаются под определенным углом либо непосредственно отдельным рычагом управления, установленным на лопастях, или при помощи поворотных камер.

В свою очередь поворотное кольцо осуществляет управление пневматическим цилиндром под действием вакуума или давления воздуха и в качестве альтернативы, с помощью положения обратной связи двигателя лопастей (датчика положения) их открывает. Открытый нагнетатель с изменением геометрии находится в определенном положении и поэтому безопасен, то есть в случае отказа управления ни он, ни двигатель не повреждаются. Однако могут возникать потери, но только от производительности и при низких частотах вращения коленчатого вала.

В заключении отметим, что турбонаддув — это определенный тип наддува, при помощи которого воздух в рабочую область цилиндров нагнетается под сильным давлением за счет использования энергии отработанных газов. Турбонаддув используется на бензиновых и дизельных двигателях. Наиболее эффективен в сочетании с дизельным мотором вследствие высокой степени сжатия газов в двигателе и довольно невысокой частоты вращения вала коленчатого типа. Однако сдерживающими факторами использования и применения систем наддува двигателей на бензиновых моторах являются моменты, связанные с наступлениями детонаций, которые возникают в связи с резким повышением частоты вращения двс. Кроме того, при работе на высоких температурах с отработанными газами может происходить сильный перегрев системы наддува мотора, что в свою очередь приводит к выходу из строя самой турбины автомобиля.