Принцип работы турбины на дизеле: Узнайте, как устроен принцип работы дизельной турбины!

Содержание

Узнайте, как устроен принцип работы дизельной турбины!

Узнайте, как устроен принцип работы дизельной турбины!

Турбокомпрессор — это компрессор, или воздушный насос, который приводится в работу от турбины. Турбина вращается за счет использования энергии потока отработанных газов. Частота вращения турбокомпрессора дизельного двигателя находится в пределах от 1 000 до 130 000 об/мин (это значит, что лопатки турбины разгоняются почти до линейной скорости звука).

Турбина непосредственно соединяется с компрессором жесткой осью. Компрессор засасывает через воздушный фильтр свежий воздух, сжимает его и затем под давлением подает во впускной коллектор двигателя.
Чем больше воздуха подается в цилиндры, тем больше топлива может сгореть, а это повышает мощность двигателя.

Теоретически существует равновесие мощностей между турбиной и компрессором турбокомпрессора. Чем большую энергию имеют отработанные газы, тем быстрее будет вращаться турбина.
Как следствие, компрессор тоже будет вращаться быстрее.


1. Всасываемый воздух
2. Ротор компрессора
3. Сжатый воздух
4. Вход отработавших газы
5. Ротор турбины
6. Выход отработавших газов

Турбина

Турбина состоит из корпуса и ротора Отработанные газы из выпускного коллектора двигателя попадают в приемный патрубок турбокомпрессора. Проходя по сужающемуся внутреннему каналу корпуса турбины, они ускоряются, и минуя «улитку» направляются к ротору турбины, который приводят во вращение.

Скорость вращения турбины определяется размером и формой канала в ее корпусе.

Корпусы турбин значительно различаются в зависимости от сферы применения. Корпус турбины двигателя грузовика может быть разделен на два параллельных канала, поэтому на ротор воздействуют два потока отработанных газов.

В турбокомпрессоры с большим объемом часто устанавливают дополнительное кольцо с направляющими лопатками. Оно облегчает создание постоянного потока отработанных газов на роторе турбины и делает возможным регулировку потока.

Корпус турбины и ротор отливаются из сплава с высокой термостойкостью.

На оси жестко крепится ротор турбины. Материал оси отличается от материала, используемого для ротора турбины.
Сборка этого соединения осуществляется следующим способом:

  • Ось и ротор, вращающиеся в противоположных направлениях на очень большой скорости, прижимают друг к другу.
  • Выделяющееся при трении тепло сплавляет их друг с другом, образуя неразъемное соединение.
  • Ось в месте соединения пустотелая. Эта пустота затрудняет передачу тепла от ротора турбины к ее оси. На оси со стороны турбины имеется углубление, в котором располагается уплотнительное кольцо.
  • Рабочая поверхность радиальных подшипников упрочняется и полируется.
  • На более тонкий конец оси устанавливается ротор компрессора; там имеется резьба, на которую навинчивается предохранительная гайка для закрепления ротора.
  • После того, как ось изготовлена, она должна быть отбалансирована с максимально возможной точностью, прежде чем она будет установлена в корпус.
  • Компрессор

    Компрессор состоит из корпуса и ротора
    Размеры компрессора определяются количеством воздуха, требуемого для двигателя, и скоростью вращения турбины. Ротор компрессора жестко закреплен на оси турбины и, следовательно, вращается с той же скоростью, что и ротор турбины.

    Лопатки ротора компрессора, изготавливаемые из алюминия, имеют такую форму, что воздух засасывается через центр ротора. Всасываемый таким образом воздух направляется к периферии ротора и при помощи лопаток отбрасывается на стенку корпуса компрессора.
    Благодаря этому воздух сжимается и через впускной коллектор попадает в двигатель.
    Корпус компрессора также изготовлен из алюминия.

    Корпус подшипников

    Смазка турбокомпрессора производится от системы смазки двигателя:

  • Корпус оси образует центральную часть турбокомпрессора, расположенную между турбиной и компрессором
  • Ось вращается в подшипниках скольжения
  • Моторное масло по каналам проходит между корпусом и подшипниками, а также между подшипниками и осью
  • Примечание: В настоящее время появились конструкции, в которых подшипник неподвижен, а ось вращается в масляной ванне. В таких конструкциях масло не только служит для смазки оси, но и охлаждает подшипники с корпусом.

    Для уплотнения турбокомпрессора с двух сторон устанавливаются маслоотражательные прокладки и уплотнительные кольца. Но, несмотря на то, что эти кольца помогают избежать утечек масла, они в действительности не являются уплотнительными прокладками. Их нужно рассматривать как элемент, затрудняющий утечку воздуха и газов между турбиной, компрессором и корпусом оси.

    В обычном режиме работы турбокомпрессора давление в турбине и компрессоре больше давления в корпусе оси.
    Часть газов из турбины и часть воздуха, сжатого в компрессоре, попадают в корпус оси и вместе с моторным маслом по сливному маслопроводу проходят в масляный картер двигателя.

    Все масляные уплотнения динамического типа, т.е. работают на принципе разности давлений:

  • Уплотнительное кольцо вращается с той же скоростью, что и ось. Благодаря имеющимся в нем трем отверстиям создается противодавление маслу
  • Внутренняя часть корпуса оси на уровне кольца имеет сложную герметическую форму для предотвращения просачивания масла к компрессору
  • У нас новая услуга!

    Независимая экспертиза и дефектовка вышедших из строя турбокомпрессоров

    Подробности по телефону: 8-912-895-44-41

    Принцип работы турбины на дизельном двигателе

    Воплощение идеи по использованию выхлопных газов с целью разгона ротора позволила увеличить мощность дизельного мотора примерно на 30%. Мотор, на который установлен турбонаддув, называется турбодизелем.

    Содержание:

    Устройство турбины дизельного двигателя

    Турбокомпрессор выполняет задачу по нагнетанию воздуха под давлением в цилиндры мотора: чем больше будет воздуха, тем больше топлива силовой агрегат сможет сжечь, что, в свою очередь, приведет к увеличению мощности двигателя без увеличения объема имеющихся цилиндров.

    Чтобы выполнять возложенные функции с необходимой эффективностью, турбонаддув имеет особую конструкция, состоящую из двух элементов:

    • турбины;
    • компрессора.

    Главная функция компрессора заключается в усилении поступления воздуха в топливную систему. Составные части компрессора находятся в алюминиевом корпусе. Внутри него располагается ротор, закрепленный на оси турбины. Вращаясь, ротор вбирает воздух: большая скорость вращения приводит к большему количеству попавшего внутрь воздуха. Для набора скорости существует турбина.

    Турбина состоит из корпуса с ротором внутри. Поскольку все элементы устройства взаимодействуют с газами высокой температуры, они изготавливаются из специальных материалов, невосприимчивых к такому воздействию.

    Как работает турбина на дизельном двигателе

    Ротор и ось, на которой он закреплен, вращаются в разных направлениях. Частота вращения довольно велика, поэтому элементы плотно прижимаются друг к другу.

    Принцип работы турбины на дизельном двигателе следующий:

    • компрессор обеспечивает поступление воздуха из окружающей среды, который смешивается с дизельным топливом и затем направляется в цилиндры;
    • топливно-воздушная смесь загорается, начинают двигаться поршни. По ходу этого процесса образуются газы, поступающие в выпускной коллектор;
    • скорость движения газов, оказавшихся в корпусе, значительно возрастает. Вступая во взаимодействие с ротором, они приводят его во вращающееся положение;
    • вращение передается компрессорному ротору (за это отвечает вал), который снова втягивает новую порцию воздуха.

    Таким образом, принцип работы основывается на взаимосвязи: чем сильнее вращается ротор, тем больше поступает воздуха, но при этом ротор увеличивает скорость вращения, если количество воздуха возрастает.

    Как работает турбонаддув

    Чтобы разобраться в работе турбонаддува, для начала следует уяснить понятия турбоподхвата и турбоямы.

    Турбоподхват – ситуация, когда набравший скорость ротор увеличивает поступление воздуха в цилиндры, следствием чего становится повышение мощности двигателя.

    Турбояма – момент небольшой задержки, наблюдаемый в работе турбины при увеличении количества поступившего горючего, что достигается нажатием на педаль газа. Задержка вызвана временем, которое нужно ротору для его разгона газами.

    Турбонаддув увеличивает давление отработанных газов за счет более интенсивной работы двигателя. В то же самое время повышается и давление наддува: этот процесс требует контроля и регулировки, поскольку при достижении высоких значений велика вероятность поломки. Функции регулировки давления возложены на клапан, контролем предельно возможных значений занимаются мембрана и пружина с определенными значениями жесткости (когда достигается максимально допустимая величина, мембрана открывает клапан).

    Работа турбины дизельного двигателя также требует контроля давления:

    1. компрессор через клапан, дабы снизить давление, сбрасывает лишний забранный воздух;
    2. когда давление поступившего воздуха достигает максимально допустимой величины, клапан выпускает газы, и ротор вращается с требуемой скоростью, а компрессор всегда забирает только нужное количество воздуха.

    Минусы использования турбокомпрессора

    Казалось бы, установка турбодизеля влечет за собой сплошные преимущества, но это не так. У устройства есть определенные

    недостатки:

    1. возрастает расход топлива, что особенно ощущается при неправильной регулировке системы;
    2. температура в процессе сжатия повышается, что может привести к детонации. Чтобы избежать такой неприятности, необходим монтаж регуляторов, охладителей и ряда других элементов.

    Турбированный мотор: правила эксплуатации

    Чтобы дизельная турбина работала с максимальным КПД и как можно дольше не выходила из строя, нужно придерживаться определенных правил в процессе эксплуатации автомобиля:

    • придерживаться графика замены масла, что позволит не допустить засорения маслопровода абразивами;
    • использовать качественное моторное масло, соответствующее по характеристикам в паспорте двигателя;
    • не трогаться сразу после включения мотора – движок должен быть прогрет;
    • сразу после прекращения движения не выключать двигатель, дав ему хотя бы 10 секунд поработать на холостых оборотах.

    Как работает турбина: видео

    Принцип работы турбины на дизеле

    Принцип работы турбины на дизельном двигателе

    Мотор, на который установлен турбонаддув, называется турбодизелем.

    Устройство турбины дизельного двигателя

    Турбокомпрессор выполняет задачу по нагнетанию воздуха под давлением в цилиндры мотора: чем больше будет воздуха, тем больше топлива силовой агрегат сможет сжечь, что, в свою очередь, приведет к увеличению мощности двигателя без увеличения объема имеющихся цилиндров.

    Турбонаддув имеет особую конструкцию из двух элементов:

    • турбина;
    • компрессор.

    Компрессор усиливает поступление воздуха в топливную систему. Составные части компрессора находятся в алюминиевом корпусе. Внутри находится ротор, закрепленный на оси турбины. Вращаясь, ротор вбирает воздух: большая скорость вращения приводит к большему количеству попавшего внутрь воздуха. Для набора скорости существует турбина.

    Турбина состоит из корпуса с ротором внутри. Поскольку все элементы устройства взаимодействуют с газами высокой температуры, они изготавливаются из специальных материалов, невосприимчивых к такому воздействию.

    Как работает турбина на дизельном двигателе

    Ротор и ось, на которой он закреплен, вращаются в разных направлениях. Частота вращения довольно велика, поэтому элементы плотно прижимаются друг к другу.

    Принцип работы турбины на дизельном двигателе следующий:

    • компрессор обеспечивает поступление воздуха из окружающей среды, который смешивается с дизельным топливом и затем направляется в цилиндры;
    • топливно-воздушная смесь загорается, начинают двигаться поршни. По ходу этого процесса образуются газы, поступающие в выпускной коллектор;
    • скорость движения газов, оказавшихся в корпусе, значительно возрастает. Вступая во взаимодействие с ротором, они приводят его во вращающееся положение;
    • вращение передается компрессорному ротору (за это отвечает вал), который снова втягивает новую порцию воздуха.

    Таким образом, принцип работы основывается на взаимосвязи: чем сильнее вращается ротор, тем больше поступает воздуха, но при этом ротор увеличивает скорость вращения, если количество воздуха возрастает.

    Как работает турбонаддув

    Чтобы разобраться в работе турбонаддува, для начала следует уяснить понятия турбоподхвата и турбоямы.

    Турбоподхват – ситуация, когда набравший скорость ротор увеличивает поступление воздуха в цилиндры, следствием чего становится повышение мощности двигателя.

    Турбояма – момент небольшой задержки, наблюдаемый в работе турбины при увеличении количества поступившего горючего, что достигается нажатием на педаль газа. Задержка вызвана временем, которое нужно ротору для его разгона газами.

    Турбонаддув увеличивает давление отработанных газов за счет более интенсивной работы двигателя. В то же самое время повышается и давление наддува: этот процесс требует контроля и регулировки, поскольку при достижении высоких значений велика вероятность поломки. Функции регулировки давления возложены на клапан, контролем предельно возможных значений занимаются мембрана и пружина с определенными значениями жесткости (когда достигается максимально допустимая величина, мембрана открывает клапан).

    Работа турбины дизельного двигателя также требует контроля давления:

    1. компрессор через клапан, дабы снизить давление, сбрасывает лишний забранный воздух;
    2. когда давление поступившего воздуха достигает максимально допустимой величины, клапан выпускает газы, и ротор вращается с требуемой скоростью, а компрессор всегда забирает только нужное количество воздуха.

    Минусы использования турбокомпрессора

    У устройства есть определенные недостатки:

    1. возрастает расход топлива, что особенно ощущается при неправильной регулировке системы;
    2. температура в процессе сжатия повышается, что может привести к детонации. Чтобы избежать такой неприятности, необходим монтаж регуляторов, охладителей и ряда других элементов.

    Турбированный мотор: правила эксплуатации

    Чтобы дизельная турбина работала с максимальным КПД и как можно дольше не выходила из строя, нужно придерживаться определенных правил в процессе эксплуатации автомобиля:

    • придерживаться графика замены масла, что позволит не допустить засорения маслопровода абразивами;
    • использовать качественное моторное масло, соответствующее по характеристикам в паспорте двигателя;
    • не трогаться сразу после включения мотора – движок должен быть прогрет;
    • сразу после прекращения движения не выключать двигатель, дав ему хотя бы 10 секунд поработать на холостых оборотах.

    Как работает турбина: видео

    Что такое турбо-яма?

    Крыльчатка турбокомпрессора способна развивать до двухсот тысяч оборотов в минуту, благодаря чему данное устройство отличается большой инерционностью или, говоря иначе, имеет «турбо-яму», которая проявляется при резком нажатии на педаль газа. В этот момент крыльчатка медленно приводится в движение, и приходится некоторое время ждать, чтобы автомобиль начал набирать скорость.

    Этот эффект имеет продолжительность всего несколько секунд, но, тем не менее, он не доставляет особого удовольствия при разгоне машины. На сегодняшний день производители смогли устранить эффект «турбо-ямы» путем установки двух перепускных клапанов. Один предназначен для выработанных газов, задача второго состоит в том, чтобы перепускать избыток воздуха в трубопровод турбокомпрессора из впускного коллектора.

    Благодаря этой системе обороты крыльчатки при сбросе газа уменьшаются в замедленном темпе, в то время как при резком нажатии на педаль акселератора происходит поступление воздушной массы в двигатель в полном объеме.

    Функция турбины, настройка

    Функция турбокомпрессора заключается в том, чтобы увеличивать выходную мощность и крутящий момент двигателя. Благодаря турбине производители могут уменьшать количество рабочих цилиндров в двигателе без снижения мощности и крутящего момента.

    Также все чаще стали выпускаться дизельные двигатели с двумя турбинами (Bi-Turbo), что позволяет производителям не только добиваться потрясающий мощности от дизельных автомобилей, но снижать уровень вредных веществ в выхлопе до рекордных значений.

    Недавно также стали появляться турбины, которые могут работать, как от электричества, так и традиционно от газа, поступающего из выхлопной системы. Благодаря этому инженеры добились максимальной мощности и крутящего момента при небольших оборотах двигателя. 

    Использование двух турбокомпрессоров и других турбо деталей

    На некоторые двигатели устанавливается два турбокомпрессора разного размера. Малый турбокомпрессор быстрее набирает обороты, снижая тем самым задержку ускорения, а большой обеспечивает больший наддув при высокой скорости вращения двигателя.

    Когда воздух сжимается, он нагревается, а при нагревании воздух расширяется. Поэтому повышение давления от турбокомпрессора происходит в результате нагревания воздуха до его впуска в двигатель. Для того, чтобы увеличить мощность двигателя, необходимо впустить в цилиндр как можно больше молекул воздуха, при этом не обязательно сжимать воздух сильнее.

    Охладитель воздуха или охладитель наддувочного воздуха является дополнительным устройством, которое выглядит как радиатор, только воздух проходит как внутри, так и снаружи охладителя. При впуске воздух проходит через герметичный канал в охладитель, при этом более холодный воздух подается снаружи по ребрам при помощи вентиляторов охлаждения двигателя.

    Охладитель увеличивает мощность двигателя, охлаждая сжатый воздух от компрессора перед его подачей в двигатель. Это значит, что если турбокомпрессор сжимает воздух под давлением 7 фунт/дюйм2 (0,5 бар), охладитель осуществит подачу охлажденного воздуха под давлением 7 фунт/дюйм2 (0,5 бар), который является более плотным и содержит больше молекул, чем теплый воздух.   Турбокомпрессоры также обладают преимуществом на большой высоте, где плотность воздуха ниже. Обычные двигатели будут работать слабее на большой высоте над уровнем моря, т.к. на каждый ход поршня подаваемая масса воздуха будет меньше. Мощность двигателя с турбокомпрессором также снизится, но менее заметно, т.к. разреженный воздух легче сжимать.

    При установке мощного турбокомпрессора на двигатель с впрыском топлива, система может не обеспечить необходимое количество топлива — либо программное обеспечение контроллера не допустит, либо инжекторы и насос не смогут осуществить необходимую подачу. В этом случае необходимо осуществлять уже другие модификации для максимального использования преимуществ турбокомпрессора.

    Схема турбины с изменяемой геометрией (VNT)

    Она также известна под названием – трубина с переменным соплом. Данный тип турбины используется в дизельных двигателях. Девять подвижных лопастей, установленных в турбокомпрессоре, регулируют прохождение потока газов к турбине. Увеличение и блокировка потока газов достигается при помощи привода, регулирующего угол наклона девяти лопастей. Скорость потока газов и давление нагнетаемого воздуха согласуются с количеством оборотов двигателя во время изменения угла наклона лопастей. 

    Некоторые двигатели используют несколько турбокомпрессоров. Возможно использование двух (Твин Турбо), трех или же четырёх. В таких конструкциях они устанавливаются последовательно. Первый используется при низких оборотах, а второй — при высоких. Также существует схема установки компрессоров, при которой они располагаются параллельно друг другу. Она используется на V-образных двигателях. На каждый ряд цилиндров приходится по компрессору. Бытует мнение, что один большой турбокомпрессор менее производителен, чем два маленьких.

    Система смазки

    Это неотъемлемая составляющая любой турбины. Принцип работы системы смазки простой. Масло подается между подшипником и корпусом компрессора через множество каналов под давлением. Также она охлаждает нагретые детали компрессора. На некоторых двигателях турбина сопряжена с общей системой охлаждения. Благодаря этому достигается лучшее охлаждение.

    Типы турбин

    • Раздельный. Он имеет два сопла для каждой пары цилиндров и два входа для отработавших газов. Первое сопло предназначено для быстрого реагирования, второе служит для максимальной производительности. В конструкции есть разделенные выпускные каналы. Сделано это для предотвращения перекрытия каналов при выпуске выхлопных газов.
    • Компрессор с переменным соплом. Также он известен, как турбина с изменяемой геометрией. Применяется на моторах с маркировкой TDI от «Фольксваген». Здесь в конструкции имеется 9 подвижных лопастей. Они могут регулировать поток выхлопных газов, что идут к турбине. Угол наклона лопастей – регулируемый, что позволяет согласовать давление нагнетаемого воздуха и скорость движения газов с оборотами ДВС.

    Для большей производительности на автомобиль может быть установлено два компрессора. Такие системы получили маркировку «Твин-турбо».

    Устанавливаются данные механизмы последовательно. При этом первая турбина работает на низких оборотах, а вторая на высоких. На V-образных моторах нагнетатели устанавливаются параллельно (на каждый ряд по одной турбине). Как показывает практика, установка двух небольших компрессоров значительно эффективнее, чем применение одного, но большого.

    Паровая турбина

    Принцип работы ее немного иной. Пар, который образуется в котле, под давлением попадает на крыльчатку турбины. Последняя совершает обороты, тем самым, вырабатывая механическую энергию. Обычно такая турбина соединена с генератором и применяется на электростанциях. Благодаря механической энергии, генератор производит электричество. Мощность таких агрегатов может достигать 1000 МВт.

    Однако данный показатель существенно зависит от перепада давления пара на входе и выходе. Также подобные турбины применяются для привода питательного насоса, на кораблях и судах с ядерной установкой. Что касается военных кораблей, здесь применяется газовая турбина. Принцип работы ее заключается в следующем. Газ поступает через сопловой аппарат компрессора в область низкого давления. При этом он расширяется и ускоряется. Затем поток газа двигает лопатки турбины. Последние передают усилия на вал через диски. Таким образом создается полезный крутящий момент.

    Источники:

    Понравилась статья? Расскажите друзьям: Оцените статью, для нас это очень важно:

    Проголосовавших: 3 чел.
    Средний рейтинг: 5 из 5.

    Основные принципы работы турбины дизельного двигателя

    Надежность дизельных TDI

    Установка турбонаддува позволила дизельному двигателю развивать большую мощность, а также увеличился КПД дизеля. Что касается моторов TDI, то данные двигатели являются достаточно надежными при условии правильной эксплуатации. Наиболее сильно на исправность этих ДВС влияет качество топлива и своевременное обслуживание. При должном уходе сам мотор может оказаться даже «миллионником».
    Слабым местом TDI считаются форсунки и турбокомпрессор. Ресурс форсунок напрямую зависит от качества дизтоплива и общего состояния системы питания дизельного TDI. Срок службы турбины может варьироваться, средний показатель ресурса составляет 120-160 тыс. км.

    Рис. 3. Принцип действия, устройство и схема наддува двигателя Компрекс

    1 — выпускной трубопровод; 2 — впускной трубопровод; 5 — выход из ротора в выпускной трубопровод; 4 — подвод воздуха от фильтра.

    Основной частью устройства является ротор с продольными и открытыми с обоих концов каналами, соединяющими впускные и выпускные трубопроводы. Когда при вращении ротора открывается канал, соединяющийся с выпускным трубопроводом А двигателя, отработавшие газы поступают в канал ротора и вытесняют из них воздух во впускной трубопровод Б и далее в цилиндры двигателя. При дальнейшем повороте ротора сначала перекрывается доступ отработавших газов в канал, а сжатый воздух может еще в течение некоторого времени выходить в открытый впускной трубопровод. Вскоре после закрытия канала, ведущего во впускной трубопровод, открывается канал, соединяющийся с выпускным трубопроводом 1, в котором давление газов ниже. Поэтому отработавшие газы, сжатые в продольных каналах, расширяются и по выпускному трубопроводу 1 выходят в атмосферу. Когда давление в продольном канале снизится, откроется другой конец канала, ведущий во впускной трубопровод 2, и под действием возникающей волны разрежения в канал из атмосферы засасывается новая порция свежего воздуха. В результате продольный канал очистится от отработавших газов и наполнится чистым воздухом. Продолжительность открытия каналов должна быть такой, чтобы отработавшие газы не проникли во впускной трубопровод.

    Частота вращения ротора устройства Компрекс и длина продольных каналов в роторе подбираются с таким расчетом, чтобы волна давления успела пройти в течение времени открытия канала с одного его конца до другого. Для того чтобы частота вращения ротора не получилась слишком большой, на каждой стороне ротора имеется два входа и два выхода. За один оборот ротора волна давления в обоих направления проходит дважды. Ранее привод ротора нагнетателя Компрекс осуществлялся от коленчатого вала с помощью клиноременного вариатора; в настоящее время привод ротора осуществляется с помощью клиноременной передачи с постоянным передаточным отношением, при этом максимальная частота вращения ротора составляет 14000 об/мин.

    Нагнетатель Компрекс сочетает достоинства турбонагнетателя — низкий удельный расход топлива и малые габариты — и нагнетателя с механическим приводом — плоскую кривую крутящего момента с максимумом при низких частотах вращения, а также быструю реакцию на изменение частоты вращения двигателя. Расчет системы наддува Компрекс весьма трудоемок, и разработка ее основана больше на экспериментальных доводках.

    Поделитесь этой страницей в соц. сетях или добавьте в закладки:
    Другие материалы о двигателях на сайте:
    Способы повышения мощности двигателя своими руками
    Как измерить компрессию?
    Уход за двигателем автомобиля: главные моменты
    Ремонт и диагностика дизельного двигателя
    Причины перегрева двигателя автомобиля

    Как работает турбина на двигателе Рено K9K 1.5 DCI

    В начале 2000 годов совместно с компанией Nissan, французский автоконцерн начал выпуск с конвейера автотранспортных средств, в котором стоит дизельный двигатель 1.5DCI с индексацией K9K. Производится он по сегодняшний день и его выпуск считается самым массовым среди дизельных двигателей, разработанных компаниями Ниссан и Рено. Устанавливается на такие автомобили, как: Renault, Nissan, Dacia, Suzuki.

    В состав конструкции его входят следующие элемента: двигатель, с четырьмя цилиндрами работающий по принципу впрыска топливно-воздушной смеси – Common Rail, система турбонаддува, а также общая топливная рампа.

    Этот двигатель способен развить параметры мощности, равные 110 лошадиных сил. В целом, двигатель, при надлежащем обслуживании и своевременно выполнении всех регламентированных ТО, может проехать около 300 тысяч километров, не прибегая к капитальному ремонту.

    Стоимость ее ремонта или замены сильно ударит по кошельку владельца, так что лучше предотвратить возможность возникновения проблем с турбиной.

    Турбонаддув TDI турбина с изменяемой геометрией

    От эффективности работы турбоанддува TDI в значительной мере зависит не только динамика, но и экономичность наряду с экологичностью. Правильное наддува воздуха должно быть реализовано в максимально широком диапазоне. По этой причине на моторы TDI ставится турбокомпрессор с изменяемой геометрией турбины.

    Ведущие производители турбин в мире используют следующие названия:

    • Турбина VGT (от англ. Variable Geometry Turbocharger, что означает турбокомпрессор с изменяемой геометрией). Производится BorgWarner.
    • Турбокомпрессор для дизеля VNT (от англ. Variable Nozzle Turbine, что означает турбина с переменным соплом). Это название использует фирма Garrett.

    Турбонагнетатель с изменяемой геометрией отличается от обычной турбины тем, что имеет возможность регулировки как направления, так и величины потока отработавших газов. Данная особенность позволяет добиться наиболее подходящей частоты вращения турбины применительно к конкретному режиму работы ДВС. Производительность компрессора в этом случае сильно повышается.

    Например, турбина VNT имеет в основе конструкции специальные направляющие лопатки. Дополнительно имеется механизм управления, а также отмечено наличие вакуумного привода. Указанные лопатки турбины производят поворот на необходимый угол вокруг свой оси, тем самым способны менять скорость и направление потока выхлопа. Это происходит благодаря изменению величины сечения канала.

    Механизм управления отвечает за поворот лопаток. Конструктивно механизм имеет кольцо и рычаг. На рычаг оказывает воздействие вакуумный привод, который управляет работой механизма посредством специальной тяги. Вакуумный привод управляется отдельным клапаном, который ограничивает давление наддува. Клапан является составным элементом электронной системы управления ДВС и срабатывает зависимо от показателей величины давления наддува. Эта величина измеряется отдельными датчиками:

    • температурный датчик, который измеряет температуру воздуха на впуске;
    • датчик давления наддува;

     
    Другими словами, турбонаддув на TDI работает так, чтобы давление наддувочного воздуха всегда было оптимальным на разных оборотах двигателя. Фактически, турбина дозирует энергию потока отработавших газов.

    1. Как известно, на низких оборотах двигателя скорость потока (энергия) выхлопа является достаточно низкой. В таком режиме направляющие лопатки обычно закрыты, чем достигается минимальное сечение в канале. В результате прохождения через такой канал даже небольшое количество газов более эффективно крутит турбину, заставляя компрессорное колесо вращаться заметно быстрее. Получается, турбокомпрессор обеспечивает большую производительность на низких оборотах.
    2. Если водитель резко нажимает на газ, тогда у обычной турбины возникает эффект так называемой «турбоямы». Под турбоямой следует понимать задержку отклика на нажатие педали газа, то есть не моментальный прирост мощности, а подхват после небольшой паузы. Такая особенность обусловлена инерционностью системы турбонаддува, в результате чего потока газов оказывается недостаточно в  момент резкого увеличения оборотов коленвала. В турбинах с изменяемой геометрией направляющие лопатки осуществляют свой поворот с определенной задержкой, что позволяет поддерживать нужное давление наддува и практически избавиться от турбоямы.
    3. При езде на высоких и приближенных к максимальным оборотах двигателя отработавшие газы имеют максимум энергии. Чтобы предотвратить создание избыточного давления наддува лопатки в турбинах с изменяемой геометрией поворачиваются так, чтобы мощный поток газов двигался по широкому каналу с наибольшим поперечным сечением.

    Относительно малый ресурс турбокомпрессора связан с тем, что на TDI ставятся исключительно турбины с изменяемой геометрией. Турбокомпрессор во время работы двигателя раскручивается до 200 тыс. об/мин и постоянно взаимодействует с потоком разогретых до 1000 градусов по Цельсию выхлопных газов. Такие температурные и механические нагрузки, а также индивидуальные особенности конструкции указанных турбин сравнительно быстро приводят к необходимости ремонта или замены турбокомпрессора.

    Турбина что это такое

    Если не углубляться в подробности, а объяснить простыми словами, то турбина – это механический элемент автотранспортного средства, предназначенное для подачи воздушных масс в полости цилиндров двигателя под определенным давлением нагнетания. Конечная цель установки этого агрегата – это достижение максимально возможных мощностных параметров не изменяя рабочий объем камер сгорания.

    На это повлиял тот момент, что благодаря подаче воздушной смеси, состоящей из атмосферных и выхлопных газов, под давлением наддува в рабочие камеры цилиндров, горение топливно-воздушной смеси осуществляется намного лучше и результатом этого является повышенная мощностная отдача.

    В настоящее время данный агрегат является эффективным не только в плане повышения динамических качеств автомобиля, но позволяет достичь хороших показателей экономичности расхода топлива, а также понижение выбросов в атмосферу токсичных выхлопных газов.

    Как проверить турбину дизельного двигателя признаки надвигающихся проблем

    Понять, что схема работы турбины дизельного двигателя нарушена, можно по следующим признакам:

    • значительно падает мощность двигателя;
    • из выхлопной трубы валит сизый дым;
    • повышенный расход масла;
    • появляется запах горелого масла;
    • двигатель работает неравномерно на холостых оборотах.

    Конечно же, лучше придерживаться правил эксплуатации и предотвратить возникновение поломок данной детали, так как восстановление и установка турбины на дизельный двигатель – довольно дорогостоящие процедуры. Кроме того, ее поломка может вызвать и нарушение работы всего двигателя. Самостоятельно такие операции сделать почти невозможно, если вы не автослесарь высшего разряда с собственной мастерской.

    Таким образом, следует следить за уровнем и качеством масла в системе смазки и, конечно же, своевременно его заменять, использовать только высококачественные составы. Также нельзя резко набирать обороты, особенно на недостаточно прогретом движке, недопустим засор масляных каналов, так как это способствует возникновению перебоев в подаче смазки, и, безусловно, нужно своевременное охлаждение турбины дизельного двигателя.

    Если топливная смесь будет переобогащенной, т. е. больше топлива, чем воздуха, то в таком случае цвет выхлопа будет черным. К тому же характерная особенность этой проблемы в потери мощности. Происходит это из-за нарушения в работе системы газораспределения. Сизый или белый дым выхлопа свидетельствует о попадании моторного масла в камеры сгорания цилиндров. В это же время расход масла значительно увеличивается.

    Далее следует проверить ротор и фильтр турбины. Люфт ротора должен быть незначительным, при этом он не должен задевать стенки корпуса. В противном случае требуется оперативный ремонт.

    Если фильтр забит грязью и пылью он не сможет пропускать через себя достаточное количество воздуха. В результате в картридже подшипников и в корпусе турбрнагнетателя создаётся разница в давлении, которая выдавливает масло в компрессор.

    Если и фильтр не причина неисправности, дальнейший этап это проверка системы подачи масла, а точнее всех патрубков на наличие трещин и заломов. Для подобной проверки потребуется завести двигатель. Если слышен скрип и свист, значит, есть трещина в патрубке и нужно её устранить. Если есть помощник, то можно передавить патрубок между турбрнагнетателем и впускным коллектором, после чего сильно погазовать. Если трещин нет, патрубок увеличивается в размерах. Для устранения неисправностей, связанных с турбокомпрессором при отсутствии знаний и навыков лучше обратиться к специалистам. В противном случае из-за незначительной неисправности может выйти из строя турбина в целом, что грозит дополнительными финансовыми расходами.

    Статья написана по материалам сайтов: techautoport.ru, eronturbo.ru, carnovato.ru.

    В чём суть

    История турбокомпрессора почти так же стара, как и история двигателя внутреннего сгорания. Ещё в конце XIX века Готтлиб Даймлер и Рудольф Дизель исследовали увеличение выходной мощности и снижение расхода топлива своих двигателей при предварительно сжатом воздухе для горения. Для стандартных автомобилей турбокомпрессоры были собраны только в 70-е годы.

    Турбокомпрессор является составной частью двигателя, который стал результатом многих лет работы по поиску компромисса между увеличением мощности двигателя, уменьшением его веса и уменьшением расхода топлива. Его конструкция увеличивает давление поступающего воздуха к двигателю, используя энергию выхлопных газов, что позволяет расширить характеристики турбокомпрессоров.

    Видео о работе турбокомпрессора:

    При повышении сжатия воздуха, то есть при количестве газа, расположенного в том же качестве, его температура повышается. Чем выше температура, тем ниже плотность, что означает меньшее количество кислорода, который подаётся в цилиндр. Чтобы сделать процесс сгорания ещё более эффективным, используется интеркулер.

    Порядок проверки

    Если нет возможности проверить турбинное устройство в автосервисе, то это можно сделать самостоятельно, не покидая гаража. Для начала проводится визуальный осмотр устройства. Изучается цвет дыма. Беловатые выхлопы говорят о том, что воздуховоды забиты, либо сливной масляный провод засорен. Если дым напоминает копоть, то подтверждает утечку масла. Сизость дымка говорит о том, что течет масло. После попадания в камеру, оно придает дыму сизоватость. Чтобы убедиться в своей правоте, необходимо снять фильтр очистки воздуха. Если он чист – причину искать следует в другом.

    Теперь двигатель следует прогреть и приступить к очередному проверочному этапу, и пригласить на помощь напарника. Ищем патрубок, идущий от турбины к впускному коллектору. Пережав патрубок, даем команду давить на газ несколько секунд. По второй команде педаль резко отпускается. Рука, лежащая на патрубке, будет ощущать, как он расширяется. Это свидетельствует о том, что воздушное давление велико. Если такого не происходит – турбина вышла из строя. Проще всего, если есть датчик давления турбины. По его работе быстро определяется пригодность турбинного устройства. Необходимо помнить, что турбина считается довольно чувствительной частью мотора, и способна утратить работоспособность по малейшим причинам. Но продлить ее срок эксплуатации возможно, организовав за двигателем минимальный уход.

    Недостатки

    Как это ни странно, но у этого устройства есть свои недостатки. Основной недостаток – это, конечно же, то, что турбина приводит к большой потере топлива. Происходит это потому, что в камеру сгорания попадает больше воздуха, соответственно и топлива тоже больше.

    Вторым недостатком считается то, что при работе двигателя и турбины в таком режиме увеличивается температура, которую требуется немедленно понизить. Чтобы мотор не сломался, потребуется дополнительное охлаждение. Усовершенствование системы охлаждения тоже подразумевает финансовые потери. Скорее всего, придется модернизировать принцип работы системы охлаждения.

    Условия работы турбины

    Температура выхлопных газов дизельного двигателя на выходе перед турбиной составляет в среднем 750-850 градусов по Цельсию. Бензиновые агрегаты имеют еще более разогретый выхлоп. Такие раскаленные газы движутся с большой скоростью и встречаются с турбинным колесом.

    Турбокомпрессор отличается высокой производительностью и потребляет достаточно много энергии отработавших газов (в среднем около 25-30 кВт и более). Турбодизель с рабочим объемом 2.0 литра в режиме холостого хода потребляет около 800 литров воздуха за 60 секунд. В режиме максимальной мощности данный показатель доходит до 4 м3. Если учесть, что турбокомпрессор также нагнетает избыток давления до 1 атмосферы, тогда общий объем нагнетаемого устройством воздуха намного больше.

    Во время работы ДВС на пиковых нагрузках турбинное колесо раскручивается до 150 тыс. об/мин и более, нагрев колеса достигает 800-900 градусов по Цельсию. После взаимодействия с турбинным колесом температура выхлопа заметно падает до средней отметки 400-500 градусов.  

    В режиме холостого хода отработавшие газы дизеля имеют температуру около 100 градусов по Цельсию и движутся с небольшой скоростью. Для эффективного вращения колеса турбины и параллельного вращения компрессорного колеса этой энергии достаточно только для того, чтобы турбокомпрессор не препятствовал проходу через него воздуха в объеме, который необходим для поддержания стабильной работы ДВС на холостых оборотах.

    Как проверить турбину на дизельном двигателе в домашних условиях

    Если у вас нет времени или желания ехать в сервисный центр для диагностики турбокомпрессора, можно попробовать произвести самостоятельную проверку турбины.

    Первым делом необходимо произвести визуальный осмотр

    Обратите внимание на цвет дыма, он не должен быть голубым, черным или сизым. Если из выхлопной идет белый дым, можно предположить, что забились воздушные каналы или сливной маслопровод

    В таком случае двигатель начнет «есть» масло. Черный дым или копоть могут свидетельствовать об утечке в системе подачи воздуха. Дым сизого цвета может свидетельствовать об утечке масла в турбине, скорее всего оно проникает в камеру(ы) сгорания двигателя. Чтобы проверить так ли это снимите воздушный фильтр и проверьте, нет ли на его поверхности масла.

    1. Вторым пунктом проводится проверка турбированного двигателя после предварительного прогрева. Для этой проверки потребуется помощник. Найдите патрубок, ведущий от турбины к впускному коллектору двигателя, затем рукой попытайтесь пережать его. Помощник в это время должен резко нажать на «газ» и подержать педаль в таком положении около 3-х сек. После этого он также резко должен отпустить педаль. Вы тем временем, держась за патрубок, должны ощутить, как он начинает раздуваться от большого воздушного давления. Сделайте несколько таких циклов, резко то нажимая, то отпуская педаль газа. В случае если патрубок не раздувается — с турбиной проблемы, если наоборот — турбина, скорее всего, полностью исправна.
    1. Внимательно осмотрите сам турбокомпрессор, на нем не должно быть следов масла, копоти или подтеканий. Отключите патрубок, который соединяет впускной коллектор и турбину, проверьте, нет ли в нем следов масла, он должен быть полностью сухим. Если вы обнаружили масляные следы, скорее всего турбина «умерла».

    Текст: http://ford-master.ru/

    Популярное:

    Для начала несколько слов о том, что такое турбина и как она работает

    Практически у всех турбированных двигателей одинаковый принцип. Первые турбокомпрессоры устанавливали исключительно на большегрузные авто, а также на гоночные авто еще в начале прошлого века. Как вы понимаете, тогда вес и конструкция турбин оставляли желать лучшего, чего не скажешь о современных экземплярах. Турбокомпрессоры нового поколения компактны и просты в установке, а их эффективность в разы выше их предшественников. Но, как и все в этом мире, в один прекрасный день турбокомпрессор начинает «барахлить», двигатель теряет былую мощность и производительность, в итоге у вас появляется новая «головная боль».

    Практические все турбины имеют улиткообразную форму корпуса. Воздушные каналы корпуса сужаются на выходе, что способствует увеличению давления и скорости вращения. По воздушным каналам движутся отработанные газы, которые поступают из выпускного коллектора. Двигаясь по каналам они набирают большую скорость и воздействуют на лепестки, которые вращаясь под давлением выхлопных газов, раскручивают ротор. Ротор, вращаясь раскручивает крыльчатку турбонаддува, которая закачивает воздух и подает его в камеру сгорания под высоким давлением. А как вы знаете из школьного курса физики, чем больше воздуха, тем крепче будет горение.

    Из-за высокого давления, которое создается при нагнетании воздуха, турбина нуждается в охлаждении, роль радиатора для турбины выполняет интеркулер. Турбина использует систему смазки двигателя, которая подается по специальному контуру. Масло, кроме смазки осуществляет охлаждение турбины.

    Теперь когда мы разобрались с тем, что такое турбина и как она устроена, предлагаю рассмотреть основные признаки неисправности турбокомпрессора.

    Устройство и принцип работы дизельного двигателя с турбонаддувом

    Принцип работы турбированного дизельного двигателя основан на использовании энергии выхлопных газов. Покинув цилиндр, отработавшие газы попадают на крыльчатку турбины, вращая ее и закрепленную с ней на одном валу турбину компрессора, встроенного в систему подачи воздуха в цилиндры.

    Таким образом, в отличие от атмосферных дизелей, в турбокомпрессорных агрегатах воздух в цилиндры подается принудительно под более высоким давлением. В итоге объем воздуха, попадающего в цилиндр за один цикл, возрастает. В сочетании с увеличением объема сгорающего топлива (пропорции топливно-воздушной смеси остаются неизменными) это дает прирост мощности до 25%.

    Для еще большего повышения объема поступающего в цилиндры воздуха дополнительно применяют интеркулер – специальное устройство, охлаждающее атмосферный воздух перед нагнетанием в двигатель. Из школьного курса физики известно, что холодный воздух занимает меньше места, чем теплый. Таким образом, при охлаждении можно «затолкать» в цилиндр больше воздуха за цикл.

    В результате у турбодизеля меньше удельный эффективный расход топлива (в граммах на киловатт-час) и выше объемная мощность (количество лошадиных сил на литр объема двигателя). Все это обеспечивает возможность существенно подрастить суммарную мощность мотора без значительного увеличения его габаритов и числа оборотов.

    Почему нельзя делать ремонт своими руками

    Данная операция недопустима для выполнения своими руками. Автомобильная турбина работает на очень высоких частотах вращения, а также температурах, поэтому, требования к ней предъявляются очень высокие.

    Система должна быть герметична и попадание любых мелких посторонних предметов в нее во время когда производится ремонт или обслуживание недопустимо. Необходимо специальное оборудование и навыки для разбора и сборки турбины.

    Помещение, в котором проводятся данные операции, должно быть максимально чистым, попадание пыли и других веществ на детали турбоустановки может повлечь за собой крупные денежные затраты. Специалисты специализированных сервисных центров имеют точное понятие, как проверить работу турбины.

    Топливный впрыск в моторах TDI

    На ранних этапах развития дизельных ДВС давление в системе, которая предполагает наличие ТНВД в связке с простыми механическими форсунками, составляло всего 20-40 Бар. Современный дизель имеет давление на минимальной отметке в 1600 Бар и выше. Тенденция к увеличению давления впрыска топлива связана с тем, что дизельные двигатели отличаются очень коротким временем, которое отводится на процесс смесеобразования.

    Если коленвал вращается на 2000 об/мин, тогда на смешивание порции дизтоплива с воздухом выделяется всего 3-4 миллисекунды. Увеличение частоты вращения коленчатого вала еще более сокращает этот временной отрезок. Также приготовление однородной топливно-воздушной смеси становится возможным только благодаря увеличению давления впрыска. В случае с низким давлением топливная смесь будет некачественной, процесс сгорания отличается низкой эффективностью. Результатом становится повышение токсичности выхлопа дизеля и низкий КПД.

     
    Ранее за топливный впрыск на дизеле отвечал ТНВД, который работает в паре с механическими форсунками, сегодня на дизельные моторы ставятся системы Common Rail. Так как процесс горения в дизеле является взрывом от контакта порции солярки с разогретым на такте сжатия воздухом, то время впрыска очень ограничено.

    ТНВД в современном дизеле попросту создает давление в общей магистрали, а пьезоинжекторы (пьезоэлектрические форсунки) TDI способны впрыскивать четко определенное количество дизтоплива в цилиндры дизельного двигателя за очень короткий промежуток времени (менее чем за 0,2 миллисекунды) по команде ЭБУ.

    Также в отдельных конструкциях систем питания дизельных ДВС можно встретить так называемые насос-форсунки. Это означает, что каждая инжекторная форсунка оборудована собственным насосом высокого давления. Получается, развитие дизельных технологий сегодня сводится к увеличению давления впрыска и максимальной эффективности работы системы турбонаддува. Так удается решить главные задачи: увеличить мощность и снизить уровень токсичности отработавших газов.

    Как проверить, работает ли турбина на дизеле

    Проанализировать работоспособность турбины на дизеле можно по следующим признакам:

    • Для того чтобы определить работоспособность элемента в условиях автосервиса, обычно используется сканер, который подключается к необходимому и соответствующему разъему автотранспорта. Зачастую турбонаддув отключается в случаях, когда сама турбина уже выработала собственный ресурс или датчик, предоставляющий информацию ο давлении воздуха, который нагнетается, отключил турбокомпрессор. Так как узнать, работает ли турбина на дизеле, требуется в сжатые сроки, то используется манометр, показания которого дадут четко понять, необходим ли частичный ремонт или полная замена детали.
    • Кроме того, признаком того, что турбина на дизеле работает плохо, является выброс дыма, имеющего синий цвет, в тот момент, когда при разгоне силовой агрегат автомобиля производит выхлоп. Кроме того, дым с непривычным цветом может пропадать на постоянных оборотах. В такой ситуации проблема заключается в масле, попадающем на цилиндры мотора и впоследствии сгорающем. Попасть туда жидкость может лишь в тех случаях, когда в турбокомпрессоре происходит утечка.

    Также, ο поломке в системе контроля за турбиной может свидетельствовать дым черного цвета

    Он появляется, когда обогащенная смесь сгорает после утечки воздуха в магистрали нагнетания.
    Стоит обращать внимание и на выхлоп, имеющий белый цвет. К этому приводит засор в сливе маслопровода

    Когда масло расходуется в увеличенных объемах, а на турбине и прилегающих деталях заметны подтеки рабочей жидкости, это может свидетельствовать ο том, что воздушный канал или слив системы проведения масла загрязнился.
    Если почему-то не работает турбина на дизеле, то причина может быть также и в том, что корпус, содержащий в себе ось турбонаддува, загрязнился коксом. Из неисправного турбокомпрессора поступает минимальный объем воздуха, и поэтому, как следствие, динамика разгона транспортного средства понижается.
    Если водитель отмечает характерные звуки или свисты, когда силовой агрегат запущен, то фактор неисправности потребуется искать в месте, где соединяются компрессор и двигатель. Там может происходить утечка воздуха.

    Смотрите видео о том, что не рекомендуется делать на турбо-моторах.

    История создания мотора TDI

    Дизельный двигатель всегда привлекал различные компании своим нераскрытым до конца потенциалом. Основной задачей, которая ставилась перед инженерами, являлось превращение шумного, тихоходного и малооборотистого агрегата в такой мотор, который можно было бы с легкостью устанавливать в легковые авто. Результатом стало создание мощного, экономичного и экологичного дизеля, который по своим эксплуатационным характеристикам был максимально приближен к бензиновому силовому агрегату.

    Первопроходцем в этом направлении стала компания Audi, которая в далеком 1980-м установила 1.6-литровый дизельный 54-сильный атмосферник под капот своей популярной модели Audi 80. Дальнейшее совершенствование и развитие технологий привело к тому, что уже в 1989 Audi первыми в мире наладили и запустили в массовое производство компактный, тяговитый и мощный турбодизельный двигатель, который получил широко известное сегодня обозначение TDI.

    Первый TDI представлял собой дизельный двигатель с 5 цилиндрами, имел рабочий объем 2.5
    литра, оснащался турбонаддувом с интеркулером (система промежуточного охлаждения
    нагнетаемого воздуха). Максимальная мощность этого мотора составляла 120 л.с. Показатель
    крутящего момента находился на отметке 256 Нм и достигался при выходе на 2250 об/ мин.

    С момента появления на рынке данный силовой агрегат стал достаточно востребованным, так как представлял собой достойную альтернативу не только дизелям других производителей, но и вполне был способен составить конкуренцию моторам на бензине. TDI от Ауди обеспечивал прекрасную динамику, при этом расход топлива был существенно ниже по сравнению с другими аналогами.

    Принцип работы дизельной турбины, как работает турбина дизельного двигателя ⋆ блог компании Turbovector

    Деталь раскручивается силой отработанных газов. Турбокомпрессором называется воздушный насос, приводимый в движение турбиной. Дизельный двигатель разгоняет лопатки до 130 000 оборотов в минуту. Сгорание топлива происходит более полно, расход снижается, а КПД увеличивается. Дополнительно уменьшается количество вредных выбросов в атмосферу.

    Схема узла

    Турбина соединена с компрессором жёсткой осью. Компрессор втягивает и спрессовывает воздух, и под давлением выдувает в коллектор двигателя. Чем выше давление, тем большее количество газов подаётся в двигатель. Возрастает КПД, скорость разгона, манёвренность.

    Существует прямо пропорциональная зависимость между давлением, с которым подаётся воздух, и быстротой движения турбины. Бесконечно наращивать нагнетаемый объём воздуха нельзя, так как существуют предельные нагрузки на крыльчатки.

    Конструкция турбонаддува

    Деталь состоит из корпуса и ротора. Газы под давлением выдуваются из выпускного коллектора двигателя в приёмный патрубок турбокомпрессора. В узком канале происходит ускорение. Газы попадают на улитку турбины, затем раскручивают ротор. На скорость влияет размер и форма внутреннего канала.

    Модификации

    Модели для дизельных, бензиновых двигателей, а также грузовиков и тяжёлой техники отличаются по внутреннему строению корпуса. Для наращивания мощности автобусов и грузовой техники применяют 2 параллельных канала. Ротор разгоняют 2 синхронных воздушных потока.

    Турбокомпрессоры большого объёма специально комплектуют кольцом с направляющими лопатками. Это позволяет создать равномерную струю воздуха на роторе. Также появляется возможность регулировать скорость и мощность воздушной массы.

    Комплектующие изготавливают из тугоплавких металлов, выдерживающих 1000-1150 °С. Ось, на которой закреплён ротор, менее тугоплавкая.

    Способ сборки:

    • • Ротор и ось соединяют. В процессе обе детали вращаются в противоположные стороны. Трение образует большое выделение тепла. Происходит сплавление.
    • • В месте контакта ось имеет внутреннюю полость. Это необходимо для изоляции жара от ротора.
    • • Ближе к корпусу турбины в выемке на оси размещают уплотнительное кольцо.
    • • Радиальные подшипники полируют.
    • • Один конец оси отливается меньшего диаметра и заострённым. На него надевается ротор с закрепительной резьбой. Навинчивающаяся гайка плотно удерживает запчасть на месте.

    Ось подлежит обязательной балансировке, как и все части турбокомпрессора. Проводится минимум два этапа балансировки: отдельно и в сборке – перед установкой на двигатель.

    Компрессор

    Узел включает корпус и ротор. Величина зависит от объёма двигателя и общего размера транспортного средства. Чем больше ротор, тем ниже предельная скорость вращения. Ротор компрессора неразрывно связан с осью и движется с одинаковой быстротой по сравнению с ротором турбины.

    Форма алюминиевых лопаток продумана для втягивания воздуха через середину детали. Газы подталкиваются к краям ротора и лопатками передаются на стенки картриджа. Этот механизм сжимает воздух до размеров впускного коллектора. Картридж турбокомпрессора обычно отливают из алюминия.

    Корпус подшипников

    Центральная ось является связующим звеном между компрессором и турбиной. Движение оси задаётся подшипниками. Между ними, корпусом и осью течёт моторное масло. Оно смазывает всю систему, включая двигатель.

    Существуют модели со стационарным подшипником. Смазывание оси производится благодаря наличию масляной ванны. Такой механизм изолирован от системы двигателя. Конструкция хороша тем, что жидкость не только снижает трение, но и остужает механизм в процессе работы.

    Комплект из маслоотражательных прокладок и уплотнительных колец служит для предотвращения утечки масла. Расходники прикрепляются по обе стороны турбокомпрессора. Дополнительно затрудняется прохождение воздуха между турбиной, компрессором и осью. Это необходимо, так как внутреннее давление компрессора и турбины превосходит его же в корпусе оси.

    Чтобы нивелировать разницу, часть газов и воздуха спускается в картер двигателя вместе с текущим моторным маслом.

    Динамические уплотнения

    • • Уплотнительное кольцо раскручивается по ходу движения оси с аналогичной быстротой. Три отверстия позволяют создать противовес давлению масла.
    • • Внутренний дизайн картриджа в том месте, где снаружи крепится кольцо, имеет специальную конструкцию для изоляции протечек.

    Заказать ремонт или замену дизельной турбины в Минске недорого можно по телефону +375 (29) 123 59 55 или через форму на сайте turbovector.by.

    Принцип работы турбины на дизельном двигателе

    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»).

    Принцип работы турбины на дизельном двигателе

    Мотор, на который установлен турбонаддув, называется турбодизелем.

    • Принцип работы турбины на дизельном двигателе
    • Устройство турбины дизельного двигателя
    • Как работает турбина на дизельном двигателе
    • Как работает турбонаддув
    • Минусы использования турбокомпрессора
    • Турбированный мотор: правила эксплуатации
    • Как работает турбина: видео
    • Что такое турбо-яма?
    • Функция турбины, настройка
    • Использование двух турбокомпрессоров и других турбо деталей
    • Схема турбины с изменяемой геометрией (VNT)
    • Система смазки
    • Типы турбин
    • Паровая турбина
    • Источники:

    Источник: http://principraboty.ru/princip-raboty-turbiny-na-dizele/

    Устройство турбины дизельного двигателя

    Турбокомпрессор выполняет задачу по нагнетанию воздуха под давлением в цилиндры мотора: чем больше будет воздуха, тем больше топлива силовой агрегат сможет сжечь, что, в свою очередь, приведет к увеличению мощности двигателя без увеличения объема имеющихся цилиндров.

    Турбонаддув имеет особую конструкцию из двух элементов:

    • турбина;
    • компрессор.

    Компрессор усиливает поступление воздуха в топливную систему. Составные части компрессора находятся в алюминиевом корпусе. Внутри находится ротор, закрепленный на оси турбины. Вращаясь, ротор вбирает воздух: большая скорость вращения приводит к большему количеству попавшего внутрь воздуха. Для набора скорости существует турбина.

    Турбина состоит из корпуса с ротором внутри. Поскольку все элементы устройства взаимодействуют с газами высокой температуры, они изготавливаются из специальных материалов, невосприимчивых к такому воздействию.

    Источник: http://principraboty.ru/princip-raboty-turbiny-na-dizele/

    Устройство и обзор атмосферного двигателя

    Атмосферный двигатель — это обычный бензиновый или дизельный ДВС, который устанавливается на большинство автомобилей. Атмосферный двигатель состоит из входного коллектора, головки блока цилиндров, самих цилиндров, кривошипно-шатунной группы, выходного коллектора, множества датчиков для функционирования двигателя.

    В состав такого ДВС не включена турбинная система — потому что наддув обеспечивать нет необходимости: атмосферного давления этому двигателю достаточно для правильного функционирования всей конструкции.

    Цена атмосферного мотора намного дешевле турбированного. Обслуживанием простого «атмосферника» заниматься намного удобнее и дешевле, чем ремонтировать конструкторски сложный турбированный мотор.

    Моторесурс атмосферных двигателей считается выше, и может составлять до 500 тыс. км. до первого капитального ремонта. Заправлять эти движки можно не самым качественным топливом и тем самым возможность повредить двигатель ничтожно низки.

    Основным минусом автомсферных двигателей является их высокая масса, низкая динамика движения, большие габариты, низкий показатель крутящего момента.

    Еще одним важным определением «атмосферника» является тот фактор, что на низких оборотах ДВС он еще плохо «тянет», а на высоких оборотах этот тип двигателя уже «не тянет». Для любителей «погонять» стоит сделать выбор в сторону турбированного двигателя.

    Источник: http://SpecTorg.su/avtobrendy/osobennosti-dizelnogo-dvigatelya-s-turbinoj.html

    Как работает турбонаддув

    Чтобы разобраться в работе турбонаддува, для начала следует уяснить понятия турбоподхвата и турбоямы.

    Турбоподхват – ситуация, когда набравший скорость ротор увеличивает поступление воздуха в цилиндры, следствием чего становится повышение мощности двигателя.

    Турбояма – момент небольшой задержки, наблюдаемый в работе турбины при увеличении количества поступившего горючего, что достигается нажатием на педаль газа. Задержка вызвана временем, которое нужно ротору для его разгона газами.

    Турбонаддув увеличивает давление отработанных газов за счет более интенсивной работы двигателя. В то же самое время повышается и давление наддува: этот процесс требует контроля и регулировки, поскольку при достижении высоких значений велика вероятность поломки. Функции регулировки давления возложены на клапан, контролем предельно возможных значений занимаются мембрана и пружина с определенными значениями жесткости (когда достигается максимально допустимая величина, мембрана открывает клапан).

    Работа турбины дизельного двигателя также требует контроля давления:

    1. компрессор через клапан, дабы снизить давление, сбрасывает лишний забранный воздух;
    2. когда давление поступившего воздуха достигает максимально допустимой величины, клапан выпускает газы, и ротор вращается с требуемой скоростью, а компрессор всегда забирает только нужное количество воздуха.

    Источник: http://principraboty.ru/princip-raboty-turbiny-na-dizele/

    Особенности турбины на дизельном двигателе

    Современные турбированные моторы, независимо от производителя и модели, имеют похожий принцип строения. Они характеризуются компактными размерами и простотой установки.

    Большинство турбин выполнено в виде улитки. Ее каналы, предназначенные для выведения воздуха, на выходе сужены. Благодаря этому усиливается давление газов внутри и увеличивается скорость вращения турбины, а мощность мотора увеличивается.

    Для производства корпусов двигателей применяются разные материалы – чугун либо алюминиевый сплав.

    Источник: http://i-ride.ru/lajfhaki/resurs-turbiny-dizelnogo-dvigatelya.html

    Устройство с интеркулером

    При сжатии воздух изменяет не только плотность, но и температурный режим. Для сгорания топлива поступающий кислород довольно полезен, но выпускаемый горячий воздух оказывает разрушительное действие на всю систему. По этой причине используют интеркулер, своего рода радиатор, с помощью которого понижается температура. За счёт этого мощность двигателя увеличивается на 15-20 лошадиных сил.
    Смысл работы устройства заключается в том, что горячие воздушные массы подвергаются охлаждению. Может быть воздушным и жидкостным.

    Источник: http://AvtoShef.com/princip-raboty-turbiny-na-dizelnom-d/

    Турбированный мотор: правила эксплуатации

    Чтобы дизельная турбина работала с максимальным КПД и как можно дольше не выходила из строя, нужно придерживаться определенных правил в процессе эксплуатации автомобиля:

    • придерживаться графика замены масла, что позволит не допустить засорения маслопровода абразивами;
    • использовать качественное моторное масло, соответствующее по характеристикам в паспорте двигателя;
    • не трогаться сразу после включения мотора – движок должен быть прогрет;
    • сразу после прекращения движения не выключать двигатель, дав ему хотя бы 10 секунд поработать на холостых оборотах.

    Источник: http://principraboty.ru/princip-raboty-turbiny-na-dizele/

    Что такое турбо-яма?

    Крыльчатка турбокомпрессора способна развивать до двухсот тысяч оборотов в минуту, благодаря чему данное устройство отличается большой инерционностью или, говоря иначе, имеет «турбо-яму», которая проявляется при резком нажатии на педаль газа. В этот момент крыльчатка медленно приводится в движение, и приходится некоторое время ждать, чтобы автомобиль начал набирать скорость.

    Этот эффект имеет продолжительность всего несколько секунд, но, тем не менее, он не доставляет особого удовольствия при разгоне машины. На сегодняшний день производители смогли устранить эффект «турбо-ямы» путем установки двух перепускных клапанов. Один предназначен для выработанных газов, задача второго состоит в том, чтобы перепускать избыток воздуха в трубопровод турбокомпрессора из впускного коллектора.

    Благодаря этой системе обороты крыльчатки при сбросе газа уменьшаются в замедленном темпе, в то время как при резком нажатии на педаль акселератора происходит поступление воздушной массы в двигатель в полном объеме.

    Источник: http://principraboty.ru/princip-raboty-turbiny-na-dizele/

    Функция турбины, настройка

    Функция турбокомпрессора заключается в том, чтобы увеличивать выходную мощность и крутящий момент двигателя. Благодаря турбине производители могут уменьшать количество рабочих цилиндров в двигателе без снижения мощности и крутящего момента.

    Также все чаще стали выпускаться дизельные двигатели с двумя турбинами (Bi-Turbo), что позволяет производителям не только добиваться потрясающий мощности от дизельных автомобилей, но снижать уровень вредных веществ в выхлопе до рекордных значений.

    Недавно также стали появляться турбины, которые могут работать, как от электричества, так и традиционно от газа, поступающего из выхлопной системы. Благодаря этому инженеры добились максимальной мощности и крутящего момента при небольших оборотах двигателя. 

    Источник: http://principraboty.ru/princip-raboty-turbiny-na-dizele/

    Схема турбины с изменяемой геометрией (VNT)

    Она также известна под названием – трубина с переменным соплом. Данный тип турбины используется в дизельных двигателях. Девять подвижных лопастей, установленных в турбокомпрессоре, регулируют прохождение потока газов к турбине. Увеличение и блокировка потока газов достигается при помощи привода, регулирующего угол наклона девяти лопастей. Скорость потока газов и давление нагнетаемого воздуха согласуются с количеством оборотов двигателя во время изменения угла наклона лопастей. 

    Некоторые двигатели используют несколько турбокомпрессоров. Возможно использование двух (Твин Турбо), трех или же четырёх. В таких конструкциях они устанавливаются последовательно. Первый используется при низких оборотах, а второй — при высоких. Также существует схема установки компрессоров, при которой они располагаются параллельно друг другу. Она используется на V-образных двигателях. На каждый ряд цилиндров приходится по компрессору. Бытует мнение, что один большой турбокомпрессор менее производителен, чем два маленьких.

    Источник: http://principraboty.ru/princip-raboty-turbiny-na-dizele/

    Другие статьи

    #Палец штанги реактивной

    Палец штанги реактивной: прочная основа шарниров штанг

    23.06.2021 | Статьи о запасных частях

    В подвесках грузовых автомобилей, автобусов и другой техники предусмотрены элементы, компенсирующие реактивный момент — реактивные штанги. Соединение штанг с балками мостов и рамой осуществляется с помощью пальцев — об этих деталях, их типах и конструкции, а также о замене пальцев читайте в статье.

    #Клапан МАЗ включения привода сцепления

    Клапан МАЗ включения привода сцепления

    16.06.2021 | Статьи о запасных частях

    Многие модели автомобилей МАЗ оснащаются приводом выключения сцепления с пневматическим усилителем, важную роль в работе которого играет клапан включения привода. Все о клапанах включения привода сцепления МАЗ, их типах и конструкции, а также о подборе, замене и ТО данной детали — узнайте из статьи.

    #Оправка поршневых колец

    Оправка поршневых колец: установка поршней – быстро и просто

    09.06.2021 | Статьи о запасных частях

    При ремонте поршневой группы двигателя возникают сложности с установкой поршней — выступающие из канавок кольца не позволяют поршню свободно войти в блок. Для решения этой проблемы используются оправки поршневых колец — о данных приспособлениях, их типах, конструкции и применении узнайте из статьи.

    Добавить в

    Без категории (16) Купить оптом (23) Для МихМихалыча (123)

    Источник: http://autoopt.ru/articles/products/28101693

    Что такое Интеркулер на дизеле: принцип работы и причины поломки устройства

    Дизельные двигатели в большинстве своём оснащаются системой турбонаддува. Такая доработка позволяет добиться высоких показателей мотора и значительно повысить эксплуатационные характеристики. Тем не менее, такая модернизация дизельного двигателя требует пересмотра традиционной системы его охлаждения.

    Дело в том, что нагнетаемый в цилиндры воздух в значительной степени повышает температуру двигателя. А повышенный нагрев неизбежно приведёт к выходу из строя его основных узлов и деталей. Конструкция современных дизельных двигателей, оснащенных турбиной, лишена подобных недостатков во многом благодаря использованию теплообменника, более известного под названием «интеркулер» или «промежуточный охладитель».

    Источник: http://SpecTorg.su/avtobrendy/osobennosti-dizelnogo-dvigatelya-s-turbinoj.html

    Источники:

    • Мой Внедорожник.ру
    • DRIVE2
    • http://seite1.ru/
    • АвтоНоватор
    • FB.ru
    • SYL.ru
    Понравилась статья? Расскажите друзьям: Оцените статью, для нас это очень важно:

    Проголосовавших: 3 чел.
    Средний рейтинг: 5 из 5.

    Источник: http://principraboty.ru/princip-raboty-turbiny-na-dizele/

    Турбина дизельного двигателя: устройство и ремонт механизма

    Дизельный двигатель – это поршневой двигатель внутреннего сгорания, который работает соответственно с принципом самовоспламенения распыленного топлива, что получается в результате воздействия нагретого воздуха при предварительном сжатии.

    Достаточно широким является разнообразие топлива для дизельного двигателя. Таким образом, сюда включаются практически все фракции от нефтеперегонной продукции: от самого простого керосина, и до мазуты, а также ряда других продуктов естественного происхождения – рапсового масла, фритюрного жира, пальмового масла и т.д.

    Дизельный двигатель уникален, так как может даже работать на обычной, не переработанной сырой нефти.

    Дизельные двигатели имеют несколько конструкций камер сгорания. В зависимости от этого существует и несколько типов дизельного двигателя:

    1. Дизельный двигатель с неразделенной камерой. Данная камера сгорания выполнена в поршне. Само топливо впрыскивается непосредственно через надпоршневое пространство. Главной особенностью данного типа двигателя является минимальное потребление топлива.

    Несущественным, но все же недостатком, является повышенная шумность данного двигателя, в сравнении с его собратом. Сейчас же ведутся также интенсивные работы во блага нововведений, чтобы вышеуказанный недостаток был устранен. Так, в некоторых системах дизельных двигателей было основано устройства предвпрыска топлива в камеру сгорания, что снижает жесткость работы всего агрегата.

    2. Дизельный двигатель с разделенной камерой. В данном виде дизельного двигателя существует дополнительная камера, в которою, собственно, и впрыскивается топливо. Вихревая, предкамерная камера в большинстве дизельных двигателей имеет непосредственную связь с цилиндром через специальный канал так, чтобы воздух при его сжатии, когда попадал в оную камеры завихрялся более интенсивно. Это, в свою очередь, способствует тому, что начинается процесс отменного перемешивания воздуха с впрыскиваемым топливом, в результате чего происходит более полное сгорание топлива.

    Именно данная схема очень долгий период считалась оптимальной для большинства легких двигателей и в основном использовалась на легковом типе автомобилей. Тем не менее, вследствие того, что экономичность не самая лучшая и оставляет желать лучшего, в последнее десятилетие происходит активное вытеснение этаких двигателей теми двигателями, которые имеют нераздельную камеру и иную систему подачи топлива.

    1. Ремонт турбин дизельных двигателей – изучаем устройство механизма

    Турбина являет собою крыльчатку, которая была насажена на вал. Через этот вал компрессор приводится в свою эффективную работу. Корпус его производится из жаропрочного сплава алюминия, а сам вал делают зачастую из стали среднелегированной. Именно эти детали практически не поддаются никакому ремонту и в том случае, если они выходят из строя, их необходимо заменять новыми.

    Корпус самого турбонадува дизельного двигателя делается из чугуна. Весь процесс активной работы двигателя, по большей части, порождает износ постелей под подшипниками, а также гнезд уплотнительных колец. Сама улитка турбины отливается из чугуна, а уже за счет ее довольно не простой формы образуется определенный поток газов, который дает толчок к развитию и началу движения всего описанного агрегата.

    Также, изготавливают алюминиевую отливку под улитку компрессора с небольшим местом для крыльчатки. В момент самого вращения через центральное отверстие компрессор затягивает воздух, после чего он сжимает его и нагнетает его в двигатель по кольцевому каналу.

    Само устройство этого механизма не отличается особой сложностью. Тем не менее, для его изготовления нужна высокая точность литья, а также минимальные допуски при подборе деталей.

    2. Ресурс турбины дизельного двигателя

    Включение турбины дизельного двигателя происходит с самыми первыми его оборотами. Заканчивается же уже немного позже его первичной остановки. При непосредственном пуске мотора выхлопные газы сразу же попадают в турбинную улитку, а это, в свою очередь, приводит вал с крыльчатками в движение.

    На самих холостых оборотах у выхлопных газов наблюдается маленькое давление, вследствие чего вращение турбины и ее скорость не влияет на весь объем воздух, который попадает непосредственно в двигатель.

    Увеличение количества выхлопных газов сопутствуется ростом оборотов. Вследствие этого процесса обороты турбокомпрессора увеличиваются, а турбина начинает свою эксплуатацию в штатном режиме. В автомобильном «мифовом» мире существует теория, что ресурс турбины у дизельного двигателя очень невысок.

    Миф этот нужно развеять, так как он не соответствует действительности. Сам ресурс турбины дизельного двигателя сравняется по долговечности ресурса мотора. Он немного меньше чем он, так как это вызвано его деятельностью и спецификой работы.

    Зачастую ресурс турбокомпрессора, вследствие плохого эксплуатирования и несоблюдения всех правил и рекомендаций производителей, снижается. Сопутствуют этому следующие моменты:

    1. Использование некачественной смазки.

    2. Несвоевременная замена масла.

    3. Резкий набор оборотов при холодном и непрогретом двигателе.

    4. Остановка горячего двигателя, если он не выдерживается на холостом ходу.

    5. Засор каналов масла. В результате этого перебои подачи смазки неизбежны.

    Срок службы турбины никоим образов не является зависимым от уровня умения владения автомобилем водителя. Это миф. На практике же, эксплуатация турбины дизельного двигателя не имеет сложностей даже для новичков.

    Для того, чтобы двигатель работал бесперебойно нужно соблюдать все те же правила, которые используются при использовании обычного мотора. Нужно лишь учитывать минимальные вышеуказанные нюансы.

    3. Эксплуатация дизельного двигателя с турбиной

    Нужна регулярная проверка состояния воздушного фильтра при эксплуатации дизельного двигателя и его турбины. Это нужно потому, что при загрязнении фильтра возникает большое давление на всасывании воздуха.

    Это, в свою очередь, приводит к тому, что работоспособность и производительность компрессора снижается. Из-за того, что масло имеет высокую степень вязкости ощущается дефицит смазки при запуске холодного двигателя. Именно поэтому мотор с турбиной требует значительного прогрева перед началом полноценной работы.

    Ниже указаны основные признаки при неисправностях турбин дизельного двигателя:

    1. Двигатель не может набрать максимальные обороты, а также присутствует черный выхлоп. Это скорее всего вызвано из-за недостаточного поступления воздуха. Таким образом можно определить, что воздушный канал был загрязнен. Также, можно предположить, что выпускной коллектор разгерметизировался. Очень часто наблюдается утечка через слабые и неплотные соединения патрубков.

    2. Также, о неисправности турбины может рассказывать синий цвет у выхлопного газа. Основной причиной этого может быть попадание масла в сам выхлопной коллектор. В данном случае нужно проверить целостность роторов, а также полное состояние всей сливной системы, которая идет от турбины непосредственно к двигателю. Иногда в ней могут образовываться засоры и сужения.

    3. Громкая работа двигателя также свидетельствует о неисправности его турбины. Для того, чтобы определить причины этого нужно очень тщательно проверить всю герметичность трубопроводов и легкость вращения оси у компрессора. Может быть такое, что были повреждены роторы, или деформированы, или чересчур потерты. В таком случае необходим демонтаж всего узла для полного осмотра и дальнейшего ремонта.

    Подписывайтесь на наши ленты в таких социальных сетях как, Facebook, Вконтакте, Instagram, Pinterest, Yandex Zen, Twitter и Telegram: все самые интересные автомобильные события собранные в одном месте.

    Конструкция и принцип действия турбокомпрессора — турбина

    Турбонагнетатель основные функции принципиально не изменились со времен Альфреда Бюхи. Турбокомпрессор состоит из компрессора и турбины, соединенных общим валом. Турбина с приводом от выхлопных газов обеспечивает приводную энергию для компрессора.

    Дизайн и функционирование

    Турбина турбонагнетателя, состоящая из турбинного колеса и корпуса турбины, преобразует выхлопные газы двигателя в механическую энергию для привода компрессора.Газ, который ограничен площадью поперечного сечения потока турбины, приводит к при перепаде давления и температуры между входом и выходом. Это падение давления преобразуется турбиной в кинетическую энергию для привода турбинного колеса.

    Есть два основных типа турбин: осевые и радиальные. В осевом типе, поток через колесо идет только в осевом направлении. В радиальных турбинах приток газа центростремительный, т.е.е. в радиальном направлении снаружи внутрь, а газ отток в осевом направлении.

    До диаметра колеса около 160 мм используются только радиальные турбины. Этот соответствует мощности двигателя примерно 1000 кВт на турбокомпрессор. От 300 мм и более используются только осевые турбины. Между этими двумя значениями оба варианта возможны.

    Поскольку турбина с радиальным потоком является наиболее популярным типом для автомобильной промышленности, следующее описание ограничено конструкцией и функциями этой турбины. тип.В улитке таких радиальных или центростремительных турбин давление выхлопных газов преобразуется в кинетическую энергию и выхлопные газы по окружности колеса направлен с постоянной скоростью к турбинному колесу. Передача энергии от кинетической энергия на валу происходит в турбинном колесе, которое сконструировано таким образом, чтобы почти вся кинетическая энергия преобразуется к тому времени, когда газ достигает колеса торговая точка.

    Рабочие характеристики

    Производительность турбины увеличивается по мере падения давления между входом и выходом. увеличивается, т.е.е. когда больше выхлопных газов забивается перед турбиной в результате более высоких оборотов двигателя, или в случае повышения температуры выхлопных газов из-за к более высокой энергии выхлопных газов.

    Характерное поведение турбины определяется удельным поперечным сечением потока, поперечное сечение горловины в зоне перехода впускного канала к спиральной камере. За счет уменьшения поперечного сечения горловины больше выхлопных газов задерживается перед турбина и производительность турбины увеличивается в результате более высокого давления соотношение.Таким образом, меньшее поперечное сечение потока приводит к более высокому давлению наддува.
    Площадь поперечного сечения потока турбины может быть легко изменена путем замены турбины. Корпус.

    Помимо площади проточного сечения корпуса турбины, площадь выхода на колесо Впуск также влияет на пропускную способность турбины. Обработка турбины Литой контур колеса допускает площадь поперечного сечения и, следовательно, давление наддува, быть отрегулированным.Увеличение контура приводит к увеличению площади поперечного сечения потока. турбины.

    Турбины с изменяемой геометрией турбины изменяют поперечное сечение потока между улитками. канал и вход колеса. Площадь выхода на турбинное колесо изменяется на переменную направляющие лопатки или регулируемое скользящее кольцо, закрывающее часть поперечного сечения.

    На практике рабочие характеристики турбин турбонагнетателя отработавших газов описываются картами, показывающими параметры потока в зависимости от давления в турбине. соотношение.Карта турбины показывает кривые массового расхода и КПД турбины для различные скорости. Чтобы упростить карту, кривые массового расхода, а также КПД, можно показать средней кривой

    Для высокой общей эффективности турбокомпрессора согласование компрессора и Диаметр турбинного колеса имеет жизненно важное значение. Положение рабочей точки на карте компрессора определяет частоту вращения турбокомпрессора. Диаметр турбинного колеса должен быть таким, чтобы КПД турбины был максимальным в этом рабочем диапазоне.

    Турбины двухступенчатые

    Турбина редко подвергается постоянному давлению выхлопных газов. В импульсном режиме с турбонаддувом коммерческие дизельные двигатели, турбины с двойным входом позволяют снизить пульсации выхлопных газов. оптимизирован, поскольку более высокий коэффициент давления турбины достигается за более короткое время. Таким образом, за счет увеличения степени сжатия эффективность повышается, улучшая очень важный временной интервал, когда через него проходит высокий, более эффективный массовый расход турбина.В результате этого улучшенного использования энергии выхлопных газов двигатель характеристики давления наддува и, следовательно, характеристики крутящего момента улучшаются, особенно при низких оборотах двигателя.

    Турбокомпрессор с двухкамерной турбиной

    Чтобы различные цилиндры не мешали друг другу во время зарядки В циклах обмена три цилиндра соединены в один выпускной коллектор.Двойной вход Затем турбины позволяют отдельно пропускать поток выхлопных газов через турбину.

    Кожухи турбины водяного охлаждения

    Турбокомпрессор с корпусом турбины с водяным охлаждением для морского применения

    При проектировании турбокомпрессора необходимо также учитывать аспекты безопасности. На корабле Например, в машинном отделении следует избегать горячих поверхностей из-за опасности возгорания.Поэтому корпуса турбин с водяным охлаждением или корпуса турбин, покрытые изоляционным материалом. материал используется для морских применений.

    Турбокомпаунд — что такое турбокомпаунд, как он работает

    Для повышения КПД силовых агрегатов производители разрабатывают различные механизмы и устройства. Среди них — турбокомпонент. Разберемся, что это за устройство, как устроен турбокомпрессорный двигатель и в чем его преимущества.

    Что такое турбокомпонент

    Данная модификация используется на дизельном двигателе.В классическом варианте двигатель имеет турбину, использующую выхлопные газы для увеличения давления воздуха во впускном коллекторе.

    Газовая турбина обеспечивает лучшее сгорание ВТС в цилиндрах, за счет чего в атмосферу поступает меньше вредных веществ, а двигатель приобретает повышенную мощность. Однако этот механизм использует только часть энергии, выделяемой, когда выхлопные газы покидают выпускной коллектор.

    Вот несколько цифр. Температура выхлопных газов на выходе из двигателя может достигать около 750 градусов.Когда газ проходит через турбину, он вращает лопасти, что дает двигателю дополнительное количество свежего воздуха. На выходе из турбины газы еще горячие (их температура падает всего на сотню градусов).

    Оставшаяся энергия используется специальным блоком, через который идет выхлоп. Устройство преобразует эту энергию в механическое воздействие, которое увеличивает вращение коленчатого вала.

    назначение

    Суть составного блока заключается в увеличении мощности коленчатого вала за счет энергии, которая просто отводится в атмосферу в обычном двигателе.Дизель получает дополнительный прирост крутящего момента, но не использует дополнительное топливо.

    Как работает турбонагнетатель

    Классический турбонаддув состоит из двух механизмов. Первый — это газ, крыльчатка которого приводится в движение за счет того, что в выхлопном тракте создается давление. Второй механизм — это компрессор, связанный с первым элементом. Его предназначение — закачивать свежий воздух в цилиндры.

    В основе дополнительного блока используется силовая турбина, которая находится за основной.Чтобы исключить огромную разницу между вращением турбомашины и маховика, используется гидроэлемент — сцепление. Его проскальзывание обеспечивает согласование крутящего момента, исходящего от устройства и коленчатого вала двигателя.

    Вот небольшой видеоролик о том, как работает одна из модификаций турбокомпрессионных двигателей Volvo:

    Схема работы турбокомпрессора

    Вот краткая схема работы турбокомбината. Сначала выхлопные газы попадают в полость турбонагнетателя, раскручивая главную турбину.Далее поток вращает крыльчатку этого механизма. Причем скорость может достигать 100 тысяч в минуту.

    За контуром нагнетателя установлен составной блок. В его полость входит поток, вращая его турбину. Этот показатель достигает 55 тысяч в минуту. Далее используется гидравлическая муфта и редуктор, соединенный с коленчатым валом. Без гидромуфты устройство не сможет обеспечить плавное увеличение мощности двигателя внутреннего сгорания.

    У двигателя Scania такая схема.Этот процесс используется для работы силовой установки DT 1202. Классический дизельный двигатель с турбонаддувом мог развивать мощность в пределах 420 л.с. После того, как производитель модернизировал силовой агрегат системой турбонаддува, его производительность увеличилась на 50 лошадиных сил.

    Достоинства и недостатки

    Особенность инновационной разработки позволила добиться таких положительных результатов:

    • Достойный прирост КПД двигателя, но при этом коленчатый вал крутится не больше обычного;
    • В процессе эксплуатации установка не требует дополнительного топлива, что не делает машину прожорливее;
    • За счет наличия гидравлической муфты устойчивость агрегата обеспечивается при резком изменении нагрузки;
    • Двигатель работает более плавно, поскольку увеличение мощности обеспечивается за счет более эффективного вращения коленчатого вала, а не за счет толчков кривошипно-шатунного механизма;
    • Долговечность агрегата не снижается, как если бы турбина была установлена ​​на обычный двигатель.Напротив, за счет разгрузки поршневого механизма увеличивается его рабочий ресурс.

    К недостаткам можно отнести то, что на разработку было потрачено много денег и дополнительная установка также потребует оплаты модернизации двигателя. Помимо дороговизны самого двигателя, усложняется его конструкция. Из-за этого обслуживание и при необходимости ремонт становятся дороже, и сложнее найти мастера, четко разбирающегося в устройстве установки.

    Мы предлагаем небольшой тест-драйв дизельного двигателя с турбонаддувом:

    ПОДОБНЫЕ СТАТЬИ

    Краткое руководство: разница между газовой турбиной и дизельным двигателем — Блог промышленного производства

    Дизельные двигатели и газовые турбины классифицируются как двигатели внутреннего сгорания. Дизельные двигатели — это хорошо известная движущая сила, обычно используемая вокруг нас, а газотурбинные двигатели могут быть нам не знакомы. В этой статье мы обсудим два типа энергетических двигателей и их отличия.Подпишитесь на этот новый блог на Linquip, чтобы узнать больше о разнице между газовой турбиной и дизельным двигателем.

    Газовая турбина

    Газовая турбина в качестве основного производителя энергии возникла незадолго до начала 20-го века, и они постоянно совершенствуются, чтобы обеспечить надежную энергетику сегодня во всем мире. Во всех современных газотурбинных двигателях двигатель вырабатывает собственный сжатый газ, сжигая что-то вроде пропана, природного газа или реактивного топлива.Тепло, возникающее при сгорании топлива, расширяет воздух, и высокоскоростной поток этого горячего воздуха раскручивает турбину. Варианты газовых турбин использовали Леонардо да Винчи, Никола Тесла и сэр Чарльз Парсонс, и сегодня они широко используются во многих областях. Эти турбины используются для создания тяги для реактивных двигателей, для создания массовой мощности или на кораблях, локомотивах, вертолетах и ​​танках. В небольшом количестве автомобилей, автобусов и мотоциклов также используются газовые турбины.

    Дизельный двигатель

    С 1897 года, когда Рудольф Дизель построил свой первый хорошо известный прототип двигателя с высокой степенью сжатия, дизельный двигатель превратился в одну из самых эффективных и надежных форм выработки энергии в мире.В дизельных двигателях внутреннее сгорание приводит к расширению высокотемпературных газов под высоким давлением, которые, в свою очередь, приводят в движение поршни, преобразуя химическую энергию в механическую. Сегодня они широко используются на флоте в качестве силовых установок для малых катеров, кораблей, наземной техники. Дизельные двигатели также используются в качестве строительного и сельскохозяйственного оборудования и тягачей во вспомогательном оборудовании, таком как аварийные дизельные генераторы, насосы и компрессоры, а также в бесчисленных промышленных приложениях.

    Газовая турбина VS Дизельный двигатель

    Оба этих двигателя являются тепловыми двигателями, например, они работают, принимая тепло в качестве входного сигнала. Здесь мы укажем на разницу между газовой турбиной и дизельным двигателем. Несколько факторов играют важную роль в выборе лучшего движка для вашего приложения. Здесь мы сравниваем некоторые атрибуты между этими двумя.

    Компоненты

    • Важными компонентами газовой турбины являются компрессор, камера сгорания и силовая турбина.
    • В дизельном двигателе важными компонентами являются поршни, шатуны, коленчатые валы, цилиндр, выпускной клапан, камера сгорания и крышки подшипников.

    Долговечность

    • Срок службы газовой турбины составляет около 20 лет и более.
    • Срок службы дизельного двигателя составляет 30 и более лет.

    Затраты на техническое обслуживание

    • Газовая турбина требует больших затрат на техническое обслуживание.
    • Паровая турбина требует меньших затрат на техническое обслуживание.

    Топливо

    • Газовая турбина может использовать в качестве топлива многие виды горючих газов и жидкостей.Например, бензин, легкая нефть, керосин, спирт, природный газ и водород. Регенеративные виды топлива, такие как спирт и метан, в последнее время привлекают большое внимание, и газовая турбина хорошо им подходит.
    • Наиболее распространенным типом дизельного моторного топлива является особый фракционный дистиллят нефтяного мазута, но альтернативы, не получаемые из нефти, такие как биодизель, дизельное топливо из биомассы (BTL) или дизельное топливо из газа в жидкость (GTL), являются все чаще разрабатываются и принимаются.

    КПД

    • Газовая турбина простого цикла может достигать КПД от 20 до 35 процентов.
    • Дизельный двигатель имеет КПД до 41 процента, но чаще 30 процентов.

    Запуск

    • Газовая турбина запускается легко и быстро.
    • Пуск дизельного двигателя непростой и занимает много времени.

    Система зажигания и смазки

    • В газовой турбине система зажигания и смазки проще.
    • В дизельном двигателе система зажигания и смазки более сложная по сравнению с газовой турбиной.

    Выбросы NOx

    • В газовой турбине выбросы NOx меньше.
    • Дизельные двигатели производят недопустимо высокие уровни NOX.

    Работа, выработанная на кг воздуха

    • В газовой турбине работа, выработанная на кг воздуха, больше, чем в дизельном двигателе.
    • В дизельном двигателе работа, развиваемая на 1 кг воздуха, меньше.

    Стоимость топлива

    • В газовой турбине можно использовать более дешевое топливо.
    • В дизельном двигателе требуется сравнительно более дорогое топливо.

    Размер машины

    • Газовая турбина включает машины малых размеров.
    • Есть три основные размерные группы дизельных двигателей в зависимости от мощности; маленький, средний и большой.

    Внутренняя температура

    • В газовой турбине внутренняя температура достигает 1500 градусов Цельсия.
    • В дизельном двигателе температура поднимается до 600 градусов Цельсия.

    Производство выхлопных газов

    • Газовая турбина производит выхлопных газов в пять раз больше, чем дизельный двигатель.
    • Дизельный двигатель производит меньше выхлопных газов.

    Контроль топлива

    • В газовой турбине регулирование подачи топлива сравнительно сложно из-за больших рабочих скоростей.
    • В дизельном двигателе регулировать подачу топлива проще.

    Рабочая жидкость

    • В газовой турбине в качестве рабочей жидкости используется воздух или другой газ.
    • В дизельном двигателе топливо сжигается внутри, а продукты сгорания используются в качестве рабочего тела.

    Более высокие скорости

    • Газовая турбина может работать на более высоких скоростях. (40000 об / мин)
    • Дизельный двигатель не может работать на высоких оборотах.

    Еще несколько моментов о разнице между газовой турбиной и дизельным двигателем, о которых следует помнить:

    • Самая отличительная черта газовых турбин по сравнению с дизельными двигателями — это количество газа, которое нужно обработать в одном двигателе. Газовая турбина может обрабатывать большое количество газа в небольшом двигателе, что приводит к очень высокой удельной мощности.В дизельном двигателе размер будет такой же, как у большого грузовика.
    • Газовые турбины имеют очень высокое отношение мощности к массе, они легче и меньше дизельных двигателей той же мощности.
    • Дизельный двигатель имеет более высокий термический КПД (КПД двигателя), чем газовая турбина, из-за очень высокой степени расширения и естественного сжигания обедненной смеси, которое позволяет рассеивать тепло избыточным воздухом.
    • Газовая турбина наиболее эффективна при максимальной выходной мощности любого практического двигателя внутреннего сгорания.
    • Дизельные двигатели используют гораздо более высокую степень сжатия, чем газовые турбины, и эта более высокая степень компенсирует потери при перекачивании воздуха в двигателе.
    • Газовые турбины действительно имеют преимущество в удельной мощности по сравнению с дизельными двигателями.
    • Газовые турбины дороги по сравнению с дизельными двигателями того же размера. Поскольку они вращаются с такими высокими скоростями и из-за высоких рабочих температур, проектирование и производство газовых турбин представляет собой сложную проблему как с инженерной точки зрения, так и с точки зрения материалов.
    • В газовой турбине лопатки постоянно находятся в контакте с горячими газами на протяжении всего рабочего цикла, тогда как поршень и цилиндр дизельного двигателя подвергаются воздействию высокого давления и высокой температуры в течение очень ограниченного периода времени в течение всего цикла. Следовательно, самая высокая температура в дизельном двигателе выше, чем в газовой турбине.
    • У газовых турбин довольно высокий объемный расход по сравнению с дизельными двигателями.
    • Газовая турбина — это открытая система, или вы могли бы назвать ее системой контрольного объема.С другой стороны, дизельный двигатель является примером замкнутой системы, например, системы контрольной массы.
    • В газовой турбине, благодаря своей функции открытой системы, она непрерывно производит работу. В то время как дизельный двигатель производит работу только на определенном такте цикла.

    Это все, что вам нужно знать о различиях между газовой турбиной и дизельным двигателем. Если вам понравилась эта статья в Linquip, дайте нам знать, оставив ответ в разделе комментариев. Есть вопросы, с которыми мы можем вам помочь? Не стесняйтесь зарегистрироваться на нашем веб-сайте, чтобы получить самую профессиональную консультацию от наших экспертов.

    Супер турбонаддув дизельного двигателя с прямым впрыском

    В настоящем исследовании моделируется устойчивая работа дизельного двигателя с непосредственным впрыском (TDI) с турбонаддувом и механизмом изменения передаточного числа, соединяющим вал турбонагнетателя с коленчатым валом. Ключевыми параметрами механизма с регулируемым передаточным числом являются диапазон передаточных чисел, эффективность и инерция, а также возможность управления относительной скоростью и потоком мощности. Устройство получает энергию от коленчатого вала или турбонагнетателя или передает энергию им.Таким образом, помимо поршней двигателя внутреннего сгорания (ДВС), также турбокомпрессор вносит вклад в общую механическую мощность двигателя. Подача энергии от коленчатого вала в основном необходима во время резких ускорений, чтобы избежать турбонаддува и увеличить крутящий момент на низких скоростях. На низких скоростях резко увеличивается максимальный крутящий момент, радикально расширяя диапазон нагрузок. Кроме того, приближаясь к точкам работы сбалансированного турбонагнетателя, также можно улучшить как КПД η , определяемый как отношение мощности поршневого коленчатого вала к мощности потока топлива, так и общий КПД η * , определяемый как отношение мощности поршневого коленчатого вала, увеличенной мощности от вала турбонагнетателя, к мощности потока топлива, даже если она минимальна.Подача энергии к коленчатому валу возможна в основном при высоких скоростях и высоких нагрузках, когда в противном случае турбина могла быть закрыта впустую, а также во время замедления. Использование энергии в турбине, которое в противном случае приводило бы к отходам, приводит к повышению общего КПД преобразования топлива на η * больше, чем КПД η . Гораздо меньшие улучшения достигаются для максимального крутящего момента, опять же, приближаясь к точкам работы сбалансированного турбонагнетателя. Использование гораздо большего турбонагнетателя (целевой рабочий объем x скорость на 30% больше, чем у обычного турбокомпрессора), лучший выход крутящего момента и эффективность преобразования топлива η * и η возможны на любой скорости vs.двигатель с меньшим сбалансированным турбонагнетателем. Этот результат мотивирует дальнейшие исследования механизма, который может значительно улучшить традиционные силовые агрегаты на базе дизельных двигателей.

    1 Введение

    Нагнетатели повышают давление на впуске за счет работы сжатия, извлекаемой из коленчатого вала. Полностью теряется энергия выхлопных газов. Турбокомпрессоры повышают давление на впуске за счет энергии выхлопных газов, которые расширяются через коаксиальную турбину за счет повышенного противодавления.

    Турбокомпрессоры обычно более эффективны, чем нагнетатели, и имеют лучшие характеристики во всем диапазоне скоростей и нагрузок. Поскольку нагнетатели приводятся в движение коленчатым валом через механизмы с регулируемым передаточным числом, наддув не зависит от энергии выхлопных газов. В турбонагнетателе наддув зависит от энергии выхлопных газов, поскольку работа в турбине равна работе в компрессоре при равновесной скорости. Обычно турбокомпрессор управляется перепускным клапаном на турбине, который снижает количество энергии, рекуперированной в турбине для работы компрессора.В то время как на высоких скоростях турбина является закрытой, на низких скоростях энергия, доступная в турбине, минимальна, и наддув уменьшается. Отсутствие наддува также наблюдается во время резких ускорений, поскольку энергии турбины недостаточно для выполнения требуемой работы компрессору (турбо-задержка). Таким образом, турбокомпрессор расходует часть рекуперируемой энергии в выхлопе на высокой скорости или во время резких замедлений и не имеет достаточной энергии на турбине во время резких ускорений и на низких скоростях.В нагнетателе вся энергия выхлопных газов теряется.

    В то время как в турбокомпрессоре скорость вращения может изменяться в широких пределах, в случае с нагнетателем скорость компрессора ограничена характеристиками механизма, соединяющего коленчатый вал с валом компрессора. В нагнетателях помимо центробежных компрессоров также используются объемные компрессоры.

    В традиционных турбонагнетателях вал турбонагнетателя не соединен с коленчатым валом, и мощность компрессора идеально сбалансирована мощностью от турбины, при этом перепускной клапан турбины дает возможность контролировать рабочую точку, уменьшая поток через турбину.Если вал турбокомпрессора соединен с коленчатым валом через механизм с изменяемым передаточным числом, это открывает новый мир возможностей, поскольку турбокомпрессор может работать на скорости, отличной от скорости равновесия, а мощность может подаваться на коленчатый вал или отбираться от него. Это нововведение, которое изучается здесь, направлено на улучшение рекуперации наддува и отходящего тепла и, в конечном итоге, на повышение общей эффективности преобразования топлива и крутящего момента на любой скорости.

    Поскольку дополнительная работа турбины может быть собрана на коленчатом валу, турбокомпрессор может быть выбран намного большего размера, чем в традиционной установке турбокомпрессора.

    Управление частотой вращения турбонагнетателя и, следовательно, потоком мощности к коленчатому валу или от вала турбонагнетателя, а также повышением давления теперь достигается за счет регулирования передаточного числа скоростей в механизме.

    1,1 VanDyne Super Turbocharger

    Название Super Turbocharger не новость. VanDyne Super Turbocharger (или SuperTurbo) [1–4] — это турбокомпрессор, соединяющий вал турбокомпрессора с коленчатым валом. Изобретение, указанное в [2], приводит в действие турбокомпрессор до определенной скорости или давления во впускном коллекторе.Когда энергия выхлопных газов обеспечивает больше работы, чем требуется для приведения в действие впускного компрессора, изобретение восстанавливает эту избыточную энергию, чтобы добавить крутящий момент на коленчатый вал. Изменяя передаточное число бесступенчатой ​​трансмиссии (CVT), SuperTurbo в принципе может потреблять энергию от коленчатого вала, работающего как нагнетатель, или передавать энергию коленчатому валу, работающему как турбокомпрессор. Функция нагнетателя SuperTurbo улучшает переходные характеристики двигателя с уменьшенным размером и турбонаддувом, а функция турбонаддува дает возможность извлекать доступную энергию выхлопных газов из турбины, а не открывать перепускной клапан.

    В практическом применении ссылки [4] высокоскоростной тяговый привод используется для обеспечения снижения скорости от вала высокоскоростной турбины, в то время как второй тяговый привод обеспечивает бесступенчатое регулирование передаточных чисел через вариатор. Однако передаточное отношение вала турбонагнетателя к коленчатому валу двигателя ограничено. Механизм состоит из зубчатых пар, насоса с наклонной шайбой, рычага управления, электродвигателя, гидравлических линий, но в нем отсутствует современный вариатор, такой как тороидальный вариатор Tototrak [5, 6] или тороидальный вариатор Nissan Extroid [7] для управления. передаточное число и поток энергии между турбонагнетателем и коленчатым валом.

    1.2 Нагнетатель с регулируемой частотой вращения Torotrak

    В 2012 году компания Torotrak предложила технологию наддува с регулируемой частотой вращения [5] для работы нагнетателя в широком диапазоне оборотов и наддува независимо от частоты вращения двигателя. Механизм состоит из вариатора тягового привода (TDV) и эпициклического тягового привода (TDE), которые изменяют скорость центробежного нагнетателя. Механизм получает от двигателя повышающую передачу 3: 1. TDV регулирует передаточное число от 0,35: 1 (понижающая передача) до 2,82: 1 (повышающая передача).TDE обеспечивает фиксированное увеличение передаточного отношения 12,67: 1. Механизм может вращать центробежный компрессор от 13,3 до 107,2 оборотов двигателя в бесступенчато регулируемой величине [5]. Вариатор из [5] аналогичен по конструкции тороидальному вариатору, предложенному для чисто механических систем рекуперации кинетической энергии (KERS) F1 [6] на основе маховика. Двухсторонний двойной тороидальный вариатор был ранее предложен Торотраком для F1 KERS [6]. С Torotrak V-Charge [5] скорость компрессора может быть в пределах 4.В 43 и 35,73 раза больше оборотов двигателя. Таким образом, для частоты вращения двигателя 3000 об / мин скорость компрессора может быть изменена между 13 300 и 107 200 об / мин. Передаточное отношение вала турбонагнетателя к коленчатому валу двигателя широкое. Этот вариатор подходит для управления передаточным числом и потоком энергии между турбонагнетателем и коленчатым валом.

    1,3 F1 MGU-H

    Бензиновый двигатель с непосредственным впрыском (DI) с турбонаддувом, входящий в состав гибридной электрической трансмиссии и оснащенный двигателем-генератором типа F1 (MGU-H), установленным на валу турбокомпрессора, был недавно исследован в [8].На рисунке 1 представлена ​​схема турбонагнетателя со стороной компрессора (a) или между компрессором и турбиной (b) со стороны блока двигателя / генератора (b), как это используется в F1, например, Renault или Ferrari в сезоне 2014 года. MGU-H получает или передает энергию в тот же накопитель энергии (ES) гибридного силового агрегата, который включает в себя мотор-генератор на трансмиссии (MGU-K) в дополнение к двигателю внутреннего сгорания (ICE). Подача энергии от ES в основном необходима во время резких ускорений, чтобы избежать турбо-лага и увеличить крутящий момент на низких скоростях.На низких оборотах он также улучшает отношение мощности коленчатого вала двигателя к мощности потока топлива, а также отношение мощности коленчатого вала двигателя плюс мощность вала турбонагнетателя к мощности потока топлива. Подача энергии к ES возможна при высоких скоростях и нагрузках, где в противном случае турбина могла бы быть закрытой, а также во время замедления. Это улучшает соотношение мощности коленчатого вала двигателя и вала турбонагнетателя к мощности потока топлива. Однако в этом случае мощность, подаваемая на вал турбонагнетателя, идет на подзарядку аккумулятора через MHU-H и не поступает непосредственно на колеса.Точно так же мощность, потребляемая от вала турбокомпрессора, вырабатывается при разряде аккумулятора через MHU-H и не влияет на поток мощности на колеса. Поскольку каждое изменение формы энергии, с механической на электрическую, на химическую и наоборот, происходит с КПД менее 100%, чисто механический супер-турбонаддув также имеет преимущества по сравнению с гибридным электрическим супер-турбонаддувом. Эти преимущества рассматриваются здесь для дизельного двигателя, в котором повышение давления не ограничивается детонацией.

    Рис. 1

    Схема турбонагнетателя со стороной компрессора (а) или между компрессором и турбиной (b) со стороны двигателя / генератора, как используется в F1.

    2 Предлагаемый супертурбокомпрессор с широким диапазоном скоростей

    В предлагаемом нововведении турбонагнетатель увеличенного размера соединен с коленчатым валом через другой механизм изменения передаточного числа. Конструкции да Винчи бесступенчатого вариатора датированы 1490 годом. В 1886 году был подан первый патент на тороидальный вариатор. Конструкция полутороидальной бесступенчатой ​​трансмиссии (CVT), используемая здесь, предлагается во многих статьях, таких как [9].В этой статье предлагаются геометрические и кинематические величины, силы, крутящий момент и эффективность, контактное давление и смазка полутороидального вариатора. Устройство с регулируемым передаточным числом, аналогичное характеристикам Torotrak V-Charge, может использоваться для запуска турбокомпрессора увеличенного размера в предлагаемом приложении. В настоящей заявке рассматривается механизм передаточного числа от 13,2 до 107,2. CVT должен обеспечивать непрерывное передаточное число переменной скорости от понижающей передачи 1: (2,85) до повышающей передачи (2,85): 1, хотя и имеет тороидальную конструкцию.Конечное передаточное число достигается за счет использования одной или нескольких зубчатых пар с общим передаточным числом 37,6: 1. Этот механизм позволяет передавать на коленчатый вал положительную разницу между работой турбины и компрессора или получать от коленчатого вала отрицательную разницу между работой турбины и компрессора с оптимальной скоростью. Механизм действует в двух направлениях, то есть может передавать мощность на коленчатый вал или от коленчатого вала и турбокомпрессора, и он соединен с валом турбокомпрессора, а не с валом компрессора.Существование продукта — нагнетателя с регулируемой скоростью Torotrack — с бесступенчатой ​​трансмиссией с таким же передаточным числом, как у предлагаемого здесь, является доказательством возможности создания этого устройства.

    Рабочая частота вращения турбонагнетателя — это скорость, которая максимизирует общий выходной крутящий момент на коленчатом валу и общую топливную эффективность η *, определяемую как отношение мощности на поршневом коленчатом валу, увеличенной от мощности от вала турбонагнетателя к потоку топлива. власть. В случае традиционного турбонагнетателя работа турбонагнетателя направлена ​​только на максимальное увеличение работы поршня и КПД η , определяемый как отношение мощности поршневого коленчатого вала к мощности потока топлива.

    В настоящей работе рассматривается дизельный, а не бензиновый двигатель, как в ссылках [1–4] (или [8]). Турбина может рекуперировать намного больше энергии, чем энергия, необходимая для компрессора, и вносить вклад в общий выходной крутящий момент на коленчатом валу с разницей между работой турбины и компрессора. Точно так же, когда компрессору требуется больше энергии, чем энергия, доступная в турбине, именно эта разница обеспечивается коленчатым валом. Эффективность механизма только весит на разнице между работой компрессора и турбины.При работе турбокомпрессора на более высокой скорости, чем уравновешивающая скорость, компрессор выполняет больше работы, давление на впуске увеличивается, больше воздуха задерживается внутри цилиндра, больше топлива впрыскивается при сгорании, больше работы совершается поршнями, и больше работы совершается выхлопными газами, расширяющимися через турбину. Это увеличивает общий крутящий момент и общую эффективность преобразования топлива.

    На рис. 2 представлена ​​схема турбонагнетателя со стороной вариатора компрессора для механического соединения с желобными шестернями коленчатого вала (a, b), рассматриваемыми в настоящем исследовании.Здесь рассматриваются варианты со стороны компрессора с вариатором для механического соединения с коленчатым валом через двойной тороидальный вариатор и 3 пары шестерен или с одним тороидальным вариатором с 1 парой зубчатых колес к / от коленчатого вала. Бесступенчатая трансмиссия состоит из входного и выходного диска (дисков) и приводных роликов, передаточное число которых равно отношению радиусов входного и выходного контакта. Также может быть добавлено сцепление, чтобы обеспечить сбалансированную работу турбонагнетателя без привязки к скорости двигателя, если / когда это будет сочтено целесообразным.Конструкции бесступенчатой ​​трансмиссии (а) и (b) — это только две из множества возможностей, которые необходимо дополнительно изучить в механической конструкции вала трансмиссии от / до коленчатого вала.

    Рис. 2

    Схема турбонагнетателя со стороной вариатора компрессора для механического соединения с коленчатым валом через двойной тороидальный вариатор, тороидальный и 3 зубчатые пары (а) или одиночный тороидальный вариатор с 1 зубчатой ​​парой (б).

    Механическая система имеет недостатки упаковки и гибкости по сравнению сэлектрическая система. Однако его преимущества заключаются в полной механической интеграции, увеличивающей выходную мощность коленчатого вала.

    CVT должен обеспечивать непрерывное передаточное число переменной скорости от понижающей передачи 1: (2,85) до повышающей передачи (2,85): 1, хотя и имеет тороидальную конструкцию, такую ​​как предложенная на рисунке 1 (b). Если r 1 — радиус контакта на входном диске, а r 2 — радиус контакта на выходном диске, (симметричный) тороидальный вариатор работает от r 2 / r 1 = 2.85 по r 1 / r 2 = 2,85. Поскольку поток мощности через вариатор ограничен, конструкция двойного тороидального вариатора, показанная на Рисунке 1 (а), типичная для трансмиссий двигателя или гоночного механического маховика KERS, не требуется. При изменении r 1 / r 2 изменяется относительная скорость турбокомпрессора и компрессора, и, следовательно, наддув и мощность на коленчатый вал или от него.

    3 Вычислительный метод

    Моделирование рабочих характеристик двигателя (например, хорошо известные из справочников [10, 11], лидеры отрасли в этой области) позволяет рассчитать работу двигателя для заданной геометрии при различных условиях эксплуатации.Точность моделирования повышается за счет применения передового опыта и обширных проверок по сравнению с экспериментами. Настоящее моделирование выполнено для шестицилиндрового дизельного двигателя TDI V с соотношением диаметр цилиндра / ход поршня 0,829, отношение длины шатуна к ходу хода 1,896, степень сжатия 18,5: 1, максимальное отношение давлений через компрессор 4,0, рабочий объем 3,8 литра. Этот двигатель предназначен для гоночных автомобилей, а не для легковых автомобилей.

    Критическим аспектом моделирования, в остальном довольно простым, является моделирование горения.Сгорание здесь моделируется с помощью функции дизельного топлива Wiebe, состоящей из табулированных параметров в зависимости от скорости и нагрузки. Скорость горения задается с помощью трехчленной функции Вибе. Константы Вибе должны соответствовать скорости тепловыделения, рассчитанной на основе измеренного давления в цилиндре. Константы Вибе включают в себя: задержку зажигания (задержка в градусах угла поворота коленчатого вала между началом впрыска и началом сгорания), предварительно смешанная фракция (фракция топлива, которая смешивается до начала сгорания и сгорает предварительно смешанной), хвостовую фракцию (долю топлива, которая ожоги за пределами основного диффузионного ожога), продолжительность предварительно смешанного ожога (продолжительность в градусах угла поворота кривошипа для предварительного ожога), основная длительность (продолжительность в градусах угла поворота кривошипа основного диффузионного ожога) и, наконец, продолжительность хвостового ожога (продолжительность в градусах угла поворота кривошипа хвостового ожога) изгиб).Модель также требует указания предварительно смешанной экспоненты, главной экспоненты и хвостовой экспоненты. Функция Wiebe для дизельного двигателя представлена ​​в виде таблицы для воспроизведения экспериментальной скорости тепловыделения, рассчитанной на основе давления в цилиндре для базового дизельного двигателя, который работает с другим турбонагнетателем и другими наддувами. Поскольку предполагается, что температура и давление внутри цилиндра увеличатся, это в конечном итоге приведет к более высокой скорости сгорания. Модель аппроксимирует одним эквивалентным событием впрыска тепловыделение более сложного впрыска, состоящего из нескольких фаз, поскольку стратегия впрыска в современных дизельных двигателях с прямым впрыском основана на последовательности событий впрыска.Дальнейшее улучшение точности моделирования возможно только после экспериментов с двигателем.

    4 Результаты

    Здесь представлены моделирование двигателя с воспламенением от сжатия, работающего с валом турбонагнетателя, соединенным с коленчатым валом с помощью механизма изменения передаточного числа. Турбокомпрессор намеренно увеличен в размерах, а также увеличены размеры портов, диаметров клапанов и подъемников. Турбокомпрессор предназначен для использования с максимальной скоростью x рабочий объем, который на 30% больше нынешнего 3.8 литров × 4500 об. / Мин. Предполагается, что эффективность механизма с изменяемым передаточным числом, обеспечивающего передаточное число от 13,3 до 107,2, составляет 90%.

    На рисунке 3 представлены карты турбины и компрессора. a) и b) карты компрессора, c) и d) карты турбины. Значения скорректированы на 298 К и 100 кПа. Приведенные значения соответствуют формулам:

    RPMreduced = RPMactualTinlet − totalm˙reduced = m˙actual⋅Tinlet − totalPinlet − total

    Рис. 3

    Карта компрессора. Скорость (а) и эффективность (б) vs.степенью давления и скорректированный массовый расход. Линии скорости компрессора от 8 644 до 102 000 об / мин. Карта турбины. Скорость (c) и эффективность (d) в зависимости от степени давления и скорректированного массового расхода.

    С частотой вращения турбонагнетателя, давлением P, температурой T и массовым расходом. Турбокомпрессор имеет области оптимальной работы, области, где он работает менее эффективно, и области, где он не может работать. Соединение коленчатого вала с помощью механизма переменного передаточного числа позволяет искать оптимальную рабочую точку, изменяя передаточное число и, следовательно, скорость турбокомпрессора в дополнение к другим типичным параметрам управления традиционного турбокомпрессора.

    На рисунке 4 представлена ​​созданная модель. Вал турбины и компрессора через шестерни соединены с коленчатым валом двигателя. Передаточное число задано различным для каждой частоты вращения двигателя и нагрузки, но одинаково для турбины и компрессора. На максимальной скорости компрессор работает в зоне между линией помпажа с левой стороны и линией дроссельной заслонки с правой стороны для всех значений массового расхода в диапазоне частот вращения двигателя. Компрессорная система, включая вариатор и шестерню, соединяющую вал с коленчатым валом, выбирается таким образом, чтобы расчетные рабочие точки не выходили за пределы линий помпажа и дросселирования.

    Виртуальные модели двигателей разработаны с использованием программного обеспечения GT-SUITE [11, 17]. GT-SUITE — это один из ведущих в отрасли инструментов моделирования характеристик двигателя, применяемый производителями оригинального оборудования (OEM), исследовательскими центрами и академическими учреждениями и предлагаемый на многих курсах бакалавриата и магистратуры по автомобильной инженерии. Этот конкретный инструмент существует уже 3 десятилетия. Почти 800 из множества опубликованных статей, посвященных разработке, проверке и применению моделей GT-SUITE разработчиками, перечислены в [17].Рисунок 4 позволяет оценить детали модели. В дополнение к элементам потока, в которых решается зависимое от времени уравнение сохранения массы, импульса, энергии и частиц, на эскизе также показаны специальные элементы, такие как цилиндры двигателя и форсунки, а также элементы компрессора и турбины, имеющие более сложное определение. . Следует отметить, что компрессор и турбины связаны с коленчатым валом отдельными механическими звеньями. Это требует ручной постобработки результатов, чтобы уменьшить механические потери турбонагнетателя, пропорциональные полезной мощности, подаваемой на турбонагнетатель или от него.Более подробную информацию о моделировании можно найти в [11] и [17].

    Кинематическое передаточное число и механический КПД, которые представляют собой потери на трение в зубчатом соединении между коленчатым валом и валом турбонагнетателя, предписываются для каждой рабочей точки нагрузки (BMEP) x скорости. Механический КПД трения также определяется для вала как отношение выходной мощности к входной мощности. Этот параметр также предписывается для каждой рабочей точки нагрузка × скорость.

    Аналогично тому, что было сделано в [8], созданная модель не позволяет напрямую вычислять поток мощности к / от коленчатого вала, поскольку только разница между мощностью турбины и компрессора проходит через вариатор и зубчатая пара до коленвала.В [8] только разница между мощностью турбины и компрессора подавалась на MGU-H для зарядки или разрядки батареи. Общая мощность на коленчатом валу, а также вклад поршней и турбонагнетателя корректируются во время постобработки. Если P t — полная мощность турбины, а P c полная мощность компрессора, тогда Δ P t , c = (P t −P c )> 0, то мощность, передаваемая на коленчатый вал, составляет Δ P t , c η CVT , где η CVT КПД вариатора и зубчатой ​​пары.И наоборот, когда Δ P t , c = (P t −P c ) <0, тогда мощность, потребляемая от коленчатого вала, составляет Δ t , c / η CVT .

    На Рисунке 5 представлены предварительные результаты работы. a) и b) — это степень давлений в компрессоре и турбине, а c) и d) — это соотношение скоростей турбокомпрессор / двигатель и частота вращения турбокомпрессора.e) и f) — отношение мощности турбонагнетателя к общей мощности и общей эффективности преобразования топлива η *, отношение мощности на коленчатом валу и валу турбонагнетателя к мощности потока топлива в зависимости от среднего эффективного давления и скорости в тормозной системе.

    Рис. 5

    Предварительные результаты расчетов, различные рабочие параметры двигателя в зависимости от частоты вращения двигателя в оборотах в минуту и ​​среднего эффективного давления в тормозной системе в барах. Соотношение давлений в компрессоре (а) и турбине (б). Отношение частоты вращения турбокомпрессора к коленчатому валу двигателя (c) и частота вращения турбонагнетателя (d).Отношение мощности турбонагнетателя к мощности коленчатого вала (e) и общий КПД двигателя η * (отношение мощности коленчатого вала плюс мощность на валу турбонагнетателя к мощности потока топлива) (f).

    Максимальная частота вращения турбокомпрессора 150 000 об / мин. При средней нагрузке на любой скорости обеспечивается очень высокая степень сжатия около 4, при этом это отношение лишь минимально снижает, увеличивая скорость двигателя выше 3000 об / мин. При высокой нагрузке максимальная частота вращения турбокомпрессора разрешена выше 1500 об / мин.Только в диапазоне малых нагрузок частота вращения турбокомпрессора может быть чрезмерной.

    Это результат предписанного минимального передаточного числа 13,3, так как турбокомпрессор, отсоединенный от механизма, мог бы лучше работать ниже этого передаточного числа. Более широкое передаточное число или сцепление могут решить эту проблему.

    С традиционным турбонагнетателем максимальный крутящий момент составляет около 3000 об / мин, при очень плохих характеристиках ниже этой частоты вращения двигателя, а максимальная мощность составляет 4500 об / мин. Увеличиваются и максимальный крутящий момент, и максимальная мощность.Широко распространена область с КПД выше 40%, от 15 до 40 бар и от 2000 до 4000 об / мин. При максимальной нагрузке λ 1,4.

    При частоте вращения выше 4000 об / мин эффективность снижается в основном из-за зависимости трения от скорости и усложнения процесса сгорания (4500 об / мин — это технологический предел сгорания дизельного топлива с диффузионным регулированием). Ниже 2000 об / мин эффективность снижается, поскольку выхлопные газы не поддерживают более высокие скорости компрессора. Однако КПД по-прежнему выше, чем можно было бы достичь без подачи энергии на вал турбонагнетателя.При частичной нагрузке турбокомпрессор продолжает получать энергию на низких скоростях — средних и высоких нагрузках, а на высоких скоростях — средних и высоких нагрузках турбокомпрессор обычно выдает энергию. Турбонагнетатель вносит значительный вклад в общую мощность двигателя, особенно при высоких скоростях и нагрузках. Для конкретного двигателя и турбонагнетателя дополнительная мощность турбонагнетателя может приближаться к 10% мощности коленчатого вала двигателя. На низких скоростях мощность турбонагнетателя отрицательная, требуя почти 20% мощности коленчатого вала двигателя.Минимальное значение λ для полной нагрузки составляет 1,4. λ увеличивается до 6,5–7, снижая нагрузку до 1 бар BMEP. Поскольку карта передаточного отношения не полностью оптимизирована, дальнейшие улучшения в общей карте эффективности преобразования топлива все еще возможны.

    Не показан в статье, предлагаемый двигатель с автономным турбонагнетателем увеличенного размера (не соединенным с коленчатым валом через шестерню и вариатор) имеет очень низкий крутящий момент и очень низкую эффективность преобразования топлива в диапазоне низких скоростей.В предлагаемом устройстве крутящий момент на низкой скорости увеличивается до значений средней скорости, рис. 5f, в то время как эффективность лишь незначительно снижается при снижении скорости с 2000 до 1000 об / мин.

    На рис. 6, наконец, представлена ​​мощность, подаваемая на коленчатый вал от вала турбонагнетателя (положительное значение для работы турбины больше, чем для работы компрессора) плюс отношение радиусов впуска и выпуска в вариаторе. Мощность максимальная при высоких скоростях и нагрузках и минимальная при низких скоростях и средних и высоких нагрузках. Передаточное число CVT максимально при низкой скорости и средних и высоких нагрузках и минимально при низких нагрузках.Он также уменьшается за счет увеличения скорости. Эти данные являются рабочими входными данными, необходимыми для проверки механической правильности конструкции вариатора.

    Рис. 6

    Предварительные результаты расчетов в зависимости от частоты вращения двигателя в оборотах в минуту и ​​среднего эффективного давления в тормозной системе в барах. Мощность на валу турбокомпрессора (а) и передаточное число (или отношение радиусов впуска к выпускному) на вариаторе (b).

    5 Обсуждение и заключение

    Здесь предлагается супертурбонагнетатель, соединяющий вал турбонагнетателя с коленчатым валом через вариатор и шестерню.Этот супертурбонагнетатель отличается от системы VanDyne, где вал турбонагнетателя соединен с коленчатым валом через шестерню, или нагнетателя с регулируемой скоростью Torotrak, где вариатор и шестерня соединяются с коленчатым валом только валом компрессора.

    Предлагаемое нововведение позволяет достичь максимального среднего эффективного давления в тормозах 40 бар в дизельном двигателе на обедненной смеси с минимальным давлением λ 1.4. Нововведение обеспечивает высокий наддув на любой скорости, а также высокую эффективность преобразования топлива, превышающую 40%, на большей части графика нагрузки x скорости, отсутствие турбо-лага и снижение потерь тепла выхлопных газов.

    Нововведение включает теоретически готовые компоненты (конечно, турбокомпрессор, более сомнительно устройство с регулируемым передаточным числом).

    Результаты расчетов должны быть проверены во время экспериментов с двигателем.

    Что касается выхлопного тепла блока двигателя-генератора типа F1 (MGU-H), соединяющего вал турбонагнетателя с тяговой батареей, такой как [8], предлагаемая конструкция имеет значительное преимущество в передаче мощности на коленчатый вал, а не на батарею, что увеличивает мощность двигателя в остальном не изменилась.С точки зрения эффективности чисто механическое соединение лучше, чем преобразование механической энергии в электрическую, затем химическую, затем обратно в электрическую и, наконец, в механическую энергию, как в MGU-H в стиле F1. Предлагаемое нововведение превосходит MGU-H типа F1 [8] как по мощности двигателя, так и по эффективности преобразования топлива и не требует гибридной электрической силовой передачи.

    Этот результат мотивирует дальнейшие исследования механизма, который может значительно улучшить традиционные силовые агрегаты на базе дизельных двигателей.

    Утверждение об электрическом MGU-H в стиле F1 следует из того факта, что предложенный механизм передает или получает энергию непосредственно от или к коленчатому валу без какого-либо преобразования энергии. В MGU-H типа F1 турбокомпрессор подает или получает энергию от накопителя энергии, батареи, или получает ее, с преобразованием механической энергии в электрическую, а затем в химическую энергию или преобразованием химической энергии в электрическую, а затем в механическую. энергия, с эффективностью каждого процесса преобразования энергии все, кроме единства.Кроме того, в то время как в предлагаемом устройстве турбонагнетатель передает дополнительную энергию, в конечном итоге доступную для коленчатого вала, и, следовательно, увеличивает чистую выходную мощность двигателя, в MGU-H типа F1 дополнительная мощность турбонагнетателя направляется в накопитель энергии, который может быть разряжен путем подачи энергия поступает в турбонагнетатель, когда баланс энергии восстанавливается, или на колеса через MGU-K системы рекуперации кинетической энергии, в этом случае снова возникают проблемы с преобразованием энергии. Хотя турбокомпрессор увеличенного размера имеет смысл с предлагаемым механическим соединением вала турбокомпрессора с коленчатым валом, нет никаких оснований использовать турбокомпрессоры увеличенного размера с электрическим MGU-H.

    С максимальной эффективностью преобразования топлива в диапазоне от 40% для легковых автомобилей и выше 50% для грузовиков большой грузоподъемности и незначительными потерями эффективности в большей части диапазона нагрузок традиционные силовые агрегаты с дизельными двигателями превосходят все остальные. конкурент за экономию топлива по сравнению с реальными условиями вождения, в конечном итоге с системой рекуперации механической или электрической кинетической энергии, необходимой для подавляющих городских условий вождения, характеризующихся частыми старт-стопами [12].

    Что касается выбросов оксидов азота, ахиллова пята дизельного двигателя с обедненным горением, по-прежнему не имеющего дополнительной обработки, конкурирующей с трехкомпонентным каталитическим нейтрализатором стехиометрического бензина, следует отметить, что следует сравнивать различные альтернативы массового транспорта. по всем соответствующим критериям, экологическим, экономическим и эксплуатационным характеристикам, на протяжении всего жизненного цикла транспортного средства, включая производство, эксплуатацию, техническое обслуживание и утилизацию, а также с помощью объективных испытаний [13].

    В дополнение к дальнейшему развитию доочистки, производство оксидов азота также может быть уменьшено за счет использования прямого впрыска воды [14–16] в дополнение к рециркуляции выхлопных газов, поскольку эта мера имеет потенциал не только для уменьшить склонность к детонации и ограничить тепловые потери в бензиновых двигателях, а также снизить температуру дымовых газов там, где это необходимо, в дизельном топливе с обедненным сжиганием.

    Эта статья является лишь еще одним примером того, что еще есть значительные запасы для улучшения двигателя внутреннего сгорания.Если политически будущее двигателя внутреннего сгорания находится под угрозой [13], поскольку электромобиль предлагается для массовой мобильности до того, как будут решены проблемы с аккумулятором и производство возобновляемой электроэнергии, технически все еще нет лучшего варианта, чем внутренний двигатель внутреннего сгорания, при этом все еще возможны значительные улучшения в конструкции двигателя внутреннего сгорания и в гибридизации трансмиссии.

    BMEP

    Среднее эффективное давление тормоза

    CVT

    Бесступенчатая трансмиссия

    ICE

    двигатель внутреннего сгорания

    KERS

    52 система рекуперации энергии

    52 кинетическая

    мотор-генератор тепла выхлопных газов

    MGU-K

    мотор-генератор кинетическая энергия

    η

    мощность на коленчатом валу vs.мощность потока топлива

    η *

    мощность на коленчатом валу и валу турбонагнетателя в зависимости от мощности потока топлива

    λ

    относительное соотношение воздух-топливо

    Ссылки

    [1] VanDyne, EA и Вагнер Р., Компания Woodward Governor Company, 2008. Презентация супертурбокомпрессора. На конференции DEER, Детройт (Мичиган), август. energy.gov/sites/prod/files/2014/03/f8/deer08_vandyne.pdf Поиск в Google Scholar

    [2] Ван Дайн, Э.и Гендрон, Т.А., Woodward Governor Company, 2009. Супер-турбонагнетатель. Патент США 7,490,594. Поиск в Google Scholar

    [3] Chadwell, C.J. and Walls, M., 2010. Анализ уменьшенного двигателя с турбонаддувом с использованием 1-D моделирования CFD. Технический документ SAE № 2010-01-1231. Искать в Google Scholar

    [4] Райли, М.Б., ВанДайн, Э. и Браун, Дж. У., Vandyne Superturbo, Inc., 2015. Супертурбонагнетатель с высокоскоростным тяговым приводом и бесступенчатой ​​трансмиссией. U.S. Patent 9, 217, 363. Искать в Google Scholar

    [5] www.enginelabs.com/news/inside-look-variable-speed-supercharging-technology/ Искать в Google Scholar

    [6] Cross, D . и Brockbank, C., 2009. Механическая гибридная система, состоящая из маховика и вариатора для автоспорта и основных автомобильных приложений, Технический документ SAE № 2009-01-1312. 10.4271 / 2009-01-1312 Искать в Google Scholar

    [7] www.nissan-global.com/PDF/tcvt_e.pdf Искать в Google Scholar

    [8] Boretti, A., 2017. Применение MGU-H типа F1 в турбокомпрессоре бензинового гибридного электрического легкового автомобиля, Нелинейная инженерия, 10.1515 / nleng-2016-0069. Искать в Google Scholar

    [9] Карбоне, Г., Мангиаларди, Л. и Мантриота, Г., 2004. Сравнение характеристик полнотороидальных и полутороидальных тяговых приводов. Механизм и теория машин, 39 (9): 921–942.10.1016 / j.mechmachtheory.2004.04.003 Поиск в Google Scholar

    [10] www.software.ricardo.com/Products/WAVE Поиск в Google Scholar

    [ 11] www.gtisoft.com/gt-suite-applications/propulsion-systems/gt-power-engine-simulation-software/ Поиск в Google Scholar

    [12] Боретти А., 2010 г., Сравнение экономии топлива высокоэффективного дизельного топлива и водорода. двигатели компактного автомобиля с системами рекуперации кинетической энергии на основе маховика, Международный журнал по водородной энергии 35 (16): 8417–8424.10.1016 / j.ijhydene.2010.05.031 Поиск в Google Scholar

    [13] Boretti, A. , 2017, Будущее двигателя внутреннего сгорания после «дизельных ворот», Технический документ SAE No.2017-28-1933. Поиск в Google Scholar

    [14] Boretti, A. (2011), Стехиометрические измерения с закачкой воды, Международный журнал по водородной энергии 36: 4469–4473.10.1016 / j.ijhydene.2010.11.117 Поиск в Google Scholar

    [ 15] Боретти А., Осман А. и Арис И. (2011), Прямой впрыск водорода, кислорода и воды в новый двухтактный двигатель, Международный журнал водородной энергетики 36: 10100–10106.10.1016 / j. ijhydene.2011.05.033 Искать в Google Scholar

    [16] Boretti, A.(2013), Впрыск воды в двигатели с прямым впрыском и турбонаддувом с искровым зажиганием, Applied Thermal Engineering, 52 (1): 62–68.10.1016 / j.applthermaleng.2012.11.016 Поиск в Google Scholar

    [17] Gamma Technologies LLC, » Публикации GT-SUITE ». https://www.gtisoft.com/gt-suite/publications, 2015 (по состоянию на 15 октября 2015 г.). Искать в Google Scholar

    Получено: 2016-11-20

    Принято: 2017-8-10

    Опубликовано в Интернете: 2017-9-16

    Опубликовано в печати: 2018-3- 26

    © 2017 Walter de Gruyter GmbH, Берлин / Бостон

    Эта статья распространяется на условиях Некоммерческой лицензии Creative Commons Attribution, которая разрешает неограниченное некоммерческое использование, распространение и воспроизведение на любом носителе при условии, что оригинальная работа правильно процитирована.

    Как работает турбонагнетатель — детали и принципы конструкции

    Принцип работы турбонагнетателя зависит от принципов конструкции, которые мы сейчас объясним в этом подробном и эффективном объяснении:

    Турбонагнетатель состоит из турбины и компрессора связаны общей осью. На вход турбины поступают выхлопные газы из выпускного коллектора двигателя, заставляя турбинное колесо вращаться. Это вращение приводит в движение компрессор, сжимающий окружающий воздух и подающий его к воздухозаборнику двигателя.

    Целью турбонагнетателя является повышение КПД двигателя по отношению к выходной мощности путем устранения одного из его кардинальных ограничений. В автомобильном двигателе без наддува используется только ход поршня вниз, чтобы создать зону низкого давления для втягивания воздуха в цилиндр. Поскольку количество молекул воздуха и топлива определяет потенциальную энергию, доступную для прижимания поршня к такту сгорания, и из-за относительно постоянного давления атмосферы, в конечном итоге будет ограничение на количество воздуха и, следовательно, топливо, заполняющее камера сгорания.Эта способность заполнять цилиндр воздухом и есть его объемный КПД. Поскольку турбонагнетатель увеличивает давление в точке, где воздух входит в цилиндр, а количество воздуха, поступающего в цилиндр, в значительной степени зависит от времени и давления, при увеличении давления будет втягиваться больше воздуха. Давление на впуске, в отсутствие турбонагнетателя, определяемое атмосферой, может быть управляемо увеличено с помощью турбонагнетателя.

    Применение компрессора для увеличения давления в точке входа воздуха в цилиндр часто называют принудительной индукцией.Центробежные нагнетатели работают так же, как и турбонагнетатели; однако энергия для вращения компрессора берется из выходной энергии вращения коленчатого вала двигателя, а не из выхлопных газов. По этой причине турбокомпрессоры в идеале более эффективны, поскольку их турбины на самом деле являются тепловыми двигателями, преобразующими часть кинетической энергии выхлопных газов, которая в противном случае была бы потрачена впустую, в полезную работу. Нагнетатели используют выходную энергию для достижения чистой выгоды за счет некоторой части общей мощности двигателя.

    Компоненты

    Турбокомпрессор состоит из четырех основных компонентов. Каждое колесо турбины и крыльчатки заключено в собственный сложенный конический корпус на противоположных сторонах третьего компонента, узла вращения центральной ступицы (CHRA).

    Кожухи, установленные вокруг крыльчатки компрессора и турбины, собирают и направляют поток газа через колеса во время их вращения. Размер и форма могут определять некоторые рабочие характеристики турбокомпрессора в целом. Площадь конуса к радиусу от центральной ступицы выражается отношением (AR, A / R или A: R).Часто тот же самый базовый узел турбокомпрессора доступен от производителя с несколькими вариантами AR для корпуса турбины, а иногда и крышки компрессора. Это позволяет разработчику системы двигателя адаптировать компромисс между производительностью, откликом и эффективностью в зависимости от приложения или предпочтений. Оба корпуса напоминают раковины улиток, поэтому на сленге турбокомпрессоры иногда называют сердитыми улитками.

    Размеры турбины и крыльчатки также определяют количество воздуха или выхлопных газов, которые могут проходить через систему, и относительную эффективность, с которой они работают.Как правило, чем больше колесо турбины и колесо компрессора, тем больше пропускная способность. Размеры и форма могут различаться, а также кривизна и количество лопастей на колесах.

    Узел вращения центральной ступицы вмещает вал, соединяющий крыльчатку компрессора и турбину. Он также должен содержать систему подшипников, чтобы подвешивать вал, позволяя ему вращаться с очень высокой скоростью с минимальным трением. Например, в автомобильной промышленности CHRA обычно использует упорный подшипник или шариковый подшипник, смазываемый постоянной подачей моторного масла под давлением.CHRA также можно рассматривать как «охлаждаемый водой», поскольку он имеет точки входа и выхода охлаждающей жидкости двигателя, которая должна циклически меняться. Модели с водяным охлаждением позволяют использовать охлаждающую жидкость двигателя для охлаждения смазочного масла, предотвращая возможное закоксовывание масла из-за сильного нагрева турбины.

    Повышение давления

    Повышение давления означает увеличение давления в коллекторе, создаваемое турбонагнетателем во впускном тракте или, в частности, во впускном коллекторе, которое превышает нормальное атмосферное давление. Это также уровень наддува, показанный на манометре, обычно в барах, фунтах на квадратный дюйм или, возможно, в кПа.Это представляет дополнительное давление воздуха, которое достигается по сравнению с тем, что было бы достигнуто без принудительной индукции. Давление в коллекторе не следует путать с количеством или «весом» воздуха, который может пропускать турбонагнетатель.

    Давление наддува ограничено, чтобы вся система двигателя, включая турбонагнетатель, находилась в расчетном рабочем диапазоне, путем управления перепускным клапаном, который отводит выхлопные газы от турбины на стороне выпуска. В некоторых автомобилях максимальный наддув зависит от октанового числа топлива и регулируется электроникой с помощью датчика детонации, см. Автоматический контроль производительности (APC).

    Многие дизельные двигатели не имеют перепускных клапанов, потому что количество выхлопной энергии напрямую зависит от количества топлива, впрыскиваемого в двигатель, и небольшие колебания давления наддува не влияют на работу двигателя.

    Wastegate

    При вращении на относительно высокой скорости турбина компрессора втягивает большой объем воздуха и нагнетает его в двигатель. Когда объем выходного потока турбокомпрессора превышает объемный поток двигателя, давление воздуха во впускной системе начинает расти, что часто называется наддувом.Скорость вращения узла пропорциональна давлению сжатого воздуха и общей массе перемещаемого воздушного потока. Поскольку турбонагнетатель может вращаться до оборотов, намного превышающих то, что необходимо или на которые он способен безопасно, скорость необходимо контролировать. Перепускная заслонка — наиболее распространенная механическая система управления скоростью, которая часто дополняется электронным регулятором наддува. Основная функция вестгейта — позволить некоторой части выхлопных газов обходить турбину при достижении заданного давления на впуске.

    Топливная эффективность

    Поскольку турбокомпрессор увеличивает удельную мощность двигателя, двигатель также будет производить повышенное количество отходящего тепла. Иногда это может быть проблемой при установке турбокомпрессора на автомобиль, который не был рассчитан на высокие тепловые нагрузки. Это дополнительное отработанное тепло в сочетании с более низкой степенью сжатия (точнее, степенью расширения) двигателей с турбонаддувом способствует несколько более низкому тепловому КПД, который имеет небольшое, но прямое влияние на общую эффективность использования топлива.

    Это еще одна форма охлаждения, которая оказывает наибольшее влияние на топливную эффективность: охлаждение заряда. Даже с учетом преимуществ промежуточного охлаждения общая компрессия в камере сгорания выше, чем в двигателе без наддува. Чтобы избежать детонации при одновременном извлечении максимальной мощности из двигателя, обычно добавляют дополнительное топливо в заряд с единственной целью охлаждения. Хотя это кажется нелогичным, это топливо не сжигается. Вместо этого он поглощает и уносит тепло, когда меняет фазу с жидкого тумана на газовый пар.Кроме того, поскольку он более плотный, чем другое инертное вещество в камере сгорания, азот, он имеет более высокую удельную теплоемкость и большую теплоемкость. Он «удерживает» это тепло до тех пор, пока оно не будет выпущено в поток выхлопных газов, предотвращая разрушительный удар. Это термодинамическое свойство позволяет производителям достигать хорошей выходной мощности с обычным топливным насосом за счет экономии топлива и выбросов. Оптимальное соотношение воздух-топливо (A / F) для полного сгорания бензина составляет 14,7: 1. Обычное соотношение A / F в двигателе с турбонаддувом при полном наддуве составляет примерно 12: 1.Более богатые смеси иногда используются, когда конструкция системы имеет недостатки, такие как каталитический нейтрализатор, который имеет ограниченную стойкость к высоким температурам выхлопных газов, или двигатель имеет степень сжатия, которая слишком высока для эффективной работы с заданным топливом.

    Наконец, эффективность самого турбонагнетателя может влиять на эффективность использования топлива. Использование небольшого турбонагнетателя обеспечит быструю реакцию и низкую задержку на низких и средних оборотах, но может задушить двигатель на стороне выпуска и генерировать огромное количество тепла, связанного с перекачкой, на стороне впуска при повышении оборотов.Большой турбокомпрессор будет очень эффективным при высоких оборотах, но это нереально для уличного автомобиля. Технологии с регулируемыми лопастями и шарикоподшипниками могут сделать турбонагнетатель более эффективным в более широком рабочем диапазоне, однако другие проблемы не позволили этой технологии появиться в большем количестве дорожных автомобилей (см. Турбонагнетатель с изменяемой геометрией). В настоящее время Porsche 911 (997) Turbo — единственный производимый бензиновый автомобиль с таким турбокомпрессором. Один из способов использовать преимущества различных режимов работы двух типов турбонагнетателей — это последовательный турбонаддув, при котором используется небольшой турбонагнетатель на низких оборотах, а больший — на высоких.

    Системы управления двигателем большинства современных транспортных средств могут контролировать наддув и подачу топлива в зависимости от температуры заряда, качества топлива и высоты, среди других факторов. Некоторые системы являются более сложными и нацелены на подачу топлива еще более точно в зависимости от качества сгорания. Например, система Trionic-7 от Saab обеспечивает немедленную обратную связь о возгорании, когда оно происходит с использованием электрического заряда.

    Новый турбомотор 2,0 л FSI от Volkswagen / Audi включает технологию сжигания обедненной смеси и прямой впрыск для экономии топлива в условиях низкой нагрузки.Это очень сложная система, которая включает в себя множество движущихся частей и датчиков для управления характеристиками воздушного потока внутри самой камеры, что позволяет использовать расслоенный заряд с отличной атомизацией. Прямой впрыск также обладает огромным эффектом охлаждения заряда, что позволяет двигателям использовать более высокие степени сжатия и давления наддува, чем в типичном турбомоторе с впрыском через порт.

    Детали автомобильной конструкции

    Закон идеального газа гласит, что когда все другие переменные поддерживаются постоянными, при увеличении давления в системе увеличивается и температура.Здесь существует одно из негативных последствий турбонаддува — повышение температуры воздуха, поступающего в двигатель, из-за сжатия.

    Турбо вращается очень быстро; наиболее пиковое значение составляет от 80 000 до 200 000 об / мин (при использовании турбонагнетателей с низким моментом инерции, от 150 000 до 250 000 об / мин) в зависимости от размера, веса вращающихся частей, давления наддува и конструкции компрессора. Такие высокие скорости вращения могут вызвать проблемы со стандартными шарикоподшипниками, что приведет к их выходу из строя, поэтому в большинстве турбонагнетателей используются жидкостные подшипники.Они имеют текучий слой масла, который задерживает и охлаждает движущиеся части. Масло обычно забирается из масляного контура двигателя. В некоторых турбонагнетателях используются невероятно точные шарикоподшипники, которые обеспечивают меньшее трение, чем жидкостные подшипники, но они также подвешены в полостях, демпфированных жидкостью. Более низкое трение означает, что вал турбины может быть изготовлен из более легких материалов, что снижает так называемую задержку турбонаддува или задержку наддува. Некоторые автопроизводители используют турбокомпрессоры с водяным охлаждением для увеличения срока службы подшипников. Это также может объяснить, почему многие тюнеры модернизируют свои стандартные турбины с опорными подшипниками (например, T25), которые используют упорный подшипник на 270 градусов и латунный опорный подшипник, который имеет только 3 масляных канала, до подшипника на 360 градусов, который имеет более мощный упорный подшипник. и шайба, имеющая 6 масляных каналов, чтобы обеспечить лучший поток, реакцию и эффективность охлаждения.Турбокомпрессоры с фольгированными подшипниками находятся в стадии разработки. Это устраняет необходимость в системах охлаждения подшипников или подачи масла, тем самым устраняя наиболее частую причину отказа, а также значительно сокращая турбо-лаг.

    Для управления давлением воздуха на верхней палубе поток выхлопных газов турбокомпрессора регулируется перепускным клапаном, который обходит избыточный выхлопной газ, попадающий в турбину турбокомпрессора. Это регулирует частоту вращения турбины и мощность компрессора. Вестгейт открывается и закрывается сжатым воздухом из турбонагнетателя (давление на верхней палубе) и может подниматься с помощью соленоида для регулирования давления, подаваемого на мембрану вестгейта.Этим соленоидом можно управлять с помощью системы автоматического управления производительностью, электронного блока управления двигателем или компьютера управления послепродажным повышением. Другой метод повышения давления наддува заключается в использовании обратных и спускных клапанов, чтобы поддерживать давление на мембране ниже, чем давление в системе. Некоторые турбокомпрессоры (обычно называемые турбокомпрессорами с изменяемой геометрией) используют набор лопаток в выхлопном корпусе для поддержания постоянной скорости газа в турбине, такой же тип управления, как и на турбинах электростанций.Эти турбокомпрессоры имеют минимальную задержку, низкий порог наддува (с полным наддувом до 1500 об / мин) и эффективны при более высоких оборотах двигателя; они также используются в дизельных двигателях. [2] Во многих случаях эти турбины даже не нуждаются в перепускном клапане. Мембрана, идентичная мембране на вестгейте, управляет лопатками, но требуемый уровень контроля немного другой.

    Первым серийным автомобилем, в котором использовались эти турбины, был ограниченный выпуск 1989 года Shelby CSX-VNT, по сути, Dodge Shadow с двигателем 2.Бензиновый двигатель 2л. В Shelby CSX-VNT использовался турбонагнетатель от Garrett, названный VNT-25, потому что он использует тот же компрессор и вал, что и более распространенный Garrett T-25. Этот тип турбины называется турбиной с регулируемым соплом (VNT). Производитель турбокомпрессоров Aerocharger использует термин «турбинное сопло с переменным сечением» (VATN) для описания этого типа турбинного сопла. Другие общие термины включают в себя турбину с изменяемой геометрией (VTG), турбину с изменяемой геометрией (VGT) и турбину с регулируемой лопастью (VVT). В 1990 году этот турбокомпрессор использовался на ряде других автомобилей Chrysler Corporation, включая Dodge Daytona и Dodge Shadow.Эти двигатели производили 174 лошадиных силы и 225 фунт-футов крутящего момента, такую ​​же мощность, как у стандартных 2,2-литровых двигателей с промежуточным охлаждением, но с крутящим моментом на 25 фунт-футов и более быстрым запуском (меньше турбо-лага). Однако двигатель Turbo III без VATN или VNT выдавал 224 лошадиных силы. Причины, по которым Chrysler не продолжает использовать турбокомпрессоры с изменяемой геометрией, неизвестны, но главной причиной, вероятно, было общественное стремление к двигателям V6 в сочетании с увеличением доступности двигателей V6, разработанных Chrysler.[3] Porsche 911 Turbo 2006 года имеет 3,6-литровую плоскую шестицилиндровую двигатель с двойным турбонаддувом, а в качестве турбин используются турбины BorgWarner с изменяемой геометрией (VGT). Это важно, потому что, хотя VGT использовались в усовершенствованных дизельных двигателях в течение нескольких лет и на Shelby CSX-VNT, это первый раз, когда эта технология была применена на серийных бензиновых автомобилях с тех пор, как в 1989 году были произведены 1250 двигателей Dodge. 90. Некоторые утверждали, что это связано с тем, что в бензиновых автомобилях температура выхлопных газов намного выше (чем в дизельных автомобилях), и это может иметь неблагоприятные последствия для тонких подвижных лопаток турбокомпрессора; эти агрегаты также дороже обычных турбокомпрессоров.Инженеры Porsche утверждают, что справились с этой проблемой с новым 911 Turbo.

    Существует также тип турбонагнетателя, называемый центробежным (или просто с ременным приводом), он работает в некотором роде аналогично стандартному турбонагнетателю и в некотором смысле похож на нагнетатель. Поскольку он имеет ременной привод (выхлоп не используется), нет никаких задержек, однако наддув не является «бесплатным», как в стандартном турбонагнетателе. «Стоимость» — это дополнительное сопротивление кривошипу и, как следствие, снижение эффективности. Преимущества заключаются в отсутствии задержек, простоте настройки, поскольку не требуется никаких модификаций выхлопной системы, и, вероятно, более легком доступе для обслуживания.

    Газовая турбина / Дизельные двигатели / Газовые двигатели | Ресурсы, энергия и окружающая среда | Продукция | Корпорация IHI

    IHI ​​предлагает широкий спектр продукции для выработки электроэнергии, включая газовые турбины, дизельные двигатели и газовые двигатели с энергосистемами простого, когенерационного и комбинированного цикла. Мы также предоставляем удаленный мониторинг, техническое обслуживание двигателя и другие услуги на протяжении всего жизненного цикла продукта. Мы добиваемся сокращения выбросов NOx и CO2 за счет использования газовых турбин с высоким КПД и низким уровнем выбросов.Поставляем газовые турбины для быстроходных судов и других морских судов. Мы также поставляем полный спектр дизельных двигателей, от больших двигателей, способных работать на средней и низкой скорости, до моделей малого и среднего размера, обеспечивающих низкие, средние и высокие скорости. В наш разнообразный модельный ряд входят дизельные двигатели для наземных генераторов.


    Газотурбинные системы выработки энергии

    Газотурбинная электростанция «LM6000»

    Это электростанции класса 100 МВт, которые сочетают в себе две газовые турбины LM6000, два парогенератора-утилизатора и одну паровую турбину, чтобы производить самую эффективную в мире выработку электроэнергии, а также обеспечивать наилучшие экологические характеристики и надежность.

    Газотурбинная электростанция «ЛМ2500»

    Это электростанции класса 20–30 МВт, в которых используется высокоэффективная и очень надежная газовая турбина LM2500, созданная на основе легкого и компактного авиадвигателя.


    Системы когенерации

    Система когенерации газовой турбины «IM270»

    Это типичные энергосберегающие системы, которые вырабатывают 2 МВт мощности и 6 тонн пара в час за счет сочетания нашей оригинальной спроектированной и разработанной газовой турбины IM270 с высоким КПД и низким выбросом NOx и парогенератора-утилизатора.

    Когенерационная система «IM400 IHI-FLECS»

    Это системы когенерации класса 4–6 МВт и оригинальные системы когенерации IHI, которые могут изменять выработку как электроэнергии, так и тепла (пара) в соответствии с потребностями.Если есть избыток пара, он может быть преобразован в выработку электроэнергии для рекуперации энергии.


    Двигатели среднего / большого размера

    Двухтопливный двигатель DU-WinGD 6X72DF

    Это двухтопливный двигатель, использующий технологии сгорания с предварительным смешиванием и обедненной смесью, которые считались технически сложными для низкооборотного двухтактного двигателя.
    Это большая особенность, позволяющая существенно снизить количество выбросов NOx двигателем.

    Дизельный двигатель

    «DU-Win GD 9X82»

    Двигатели X — это двигатели нового поколения, которые разработаны и спроектированы с высокой эксплуатационной гибкостью, чтобы адаптироваться к различным условиям работы двигателя и удовлетворять требованиям более низкого расхода топлива.Двигатели 9X82 устанавливаются на контейнеровозы компании NYK 14 000 TEU в качестве главного двигателя. Эти двигатели 9X82 оснащены «двойной рейтинговой системой», которая включает функции оптимизации двух диапазонов мощности для работы с высокой и низкой нагрузкой. Эта «Двойная рейтинговая система» — лучшая в мире технология, которая позволяет судам значительно снизить потребление топлива и снизить выбросы CO2 для обоих диапазонов, что значительно способствует экономии эксплуатационной энергии при эксплуатации судна.

    DU-S.E.M.T. Дизельный двигатель Pielstick

    Четырехтактный среднеоборотный двигатель, используемый в качестве основного двигателя для больших паромов и патрульных катеров береговой охраны, а также в качестве генератора для наземных электростанций.

    Дизельный двигатель NIIGATA «28AHX»

    Дизельный двигатель — это «экологичный» среднеоборотный дизельный двигатель (от 2070 до 6660 кВт) следующего поколения, который, очевидно, соответствует требованиям IMO Tier II NOx, а также ориентирован на будущее судовых двигателей.

    Используемый в земле для генераторов (от 2000 до 6300 кВт), дизельный двигатель обеспечивает высокий КПД и низкий расход топлива мирового класса, используя как DO, так и HFO.

    Двухтопливный двигатель NIIGATA «28AHX-DF»

    28AHX-DF — это экологически чистый двигатель, соответствующий нормам IMO Tier III NOx в газовом режиме.В нем используется сжигание чистого газа, что позволяет соблюдать новые правила без селективного каталитического восстановления (SCR).


    Системы выработки энергии на газовых двигателях

    НИИГАТА Газовый двигатель «28АГС»

    Газовый двигатель вносит значительный вклад в сокращение выбросов CO2 за счет высокоэффективной работы с использованием природного и городского газа, а также низкокалорийных газов, таких как те, которые образуются в плавильных печах с газификацией.
    Модели 2000–6000 кВтэ, серия AGS с зажиганием от свечи зажигания и серия AG с микропилотным зажиганием поставляются как в Японии, так и за рубежом в качестве стационарных генераторов энергии.


    Силовые установки

    Азимутальное подруливающее устройство NIIGATA «Z-PELLER®»

    Z-PELLER® — самая популярная силовая установка на мировом рынке буксиров.Заказчики высоко оценивают этот силовой агрегат за его высокое качество и долговечность.
    Наша линейка Z-PELLER® предлагает непрерывную мощность от 735 кВт (1000 л.с.) до 3310 кВт (4500 л.с.), что позволяет нам реагировать на различные потребности клиентов.


    Оборудование для впрыска топлива

    Оборудование для впрыска топлива

    NICO производит и поставляет так называемое оборудование для впрыска топлива, клапан впрыска топлива и насос впрыска топлива для 4-тактного двигателя Deisel для производителей двигателей, таких как отечественные производители двигателей, европейцы, корейцы и китайцы, а также компания Niigatra Power Systems, которая занимается производством двигателей. Материнская компания NICO.NICO также разрабатывает FIE с электрическим управлением (то есть CRS: Common Rail System), а также обычные механические FIE.

    Ссылки

    Запросы на продукцию

    Другие товары

    Продукты

    Турбонаддув двигателей с малым числом цилиндров: термодинамические соображения

    Модель изменения объема выхлопных газов схематично показана на рис.1. Для каждого количества цилиндров использовались одинаковые геометрия цилиндра и рабочий объем (одинаковые цилиндры). При таком подходе можно исключить влияние геометрии цилиндра и порта. Кроме того, тепловые потери стенок идентичны при одинаковом наполнении баллона.

    Впускной коллектор объемом 30 л обеспечивает равные условия для всех вариантов. Падение давления в системе дополнительной обработки было адаптировано для получения идентичных границ давления после турбины.

    Рис. 1

    Схематическая модель для изменения объема выхлопа

    Рис.2

    Насосные потери в зависимости от объема выхлопа

    Используемая модель турбокомпрессора представляет собой упрощенную модель. Это означает, что КПД турбонагнетателя постоянный и не зависит от степени сжатия. Эффективность была выбрана равной 49% (\ (\ eta _ {\ mathrm {C}} = 70 \% \) и \ (\ eta _ {\ mathrm {T}} = 70 \% \)), что довольно хорошая эффективность в легковых автомобилях. Размер турбины был отрегулирован для достижения желаемого давления наддува. Нет массового расхода перепускного клапана, весь массовый поток проходит через турбину.Потери тепла в канале выхлопных газов отключены, поэтому повышенное тепловыделение при большом объеме коллектора не принимается во внимание. Следует отметить, что объем выхлопных газов всегда представляет собой весь объем каналов, коллектора и улитки турбины. Существенное влияние спирали показано в [1] и должно быть учтено.

    На рис. 2 показаны контуры газообмена четырех- и двухцилиндровых двигателей с двумя различными объемами выхлопа. На рисунке слева показан очень низкий объем выхлопа — 0.02 l, что практически невозможно реализовать, но возможно при моделировании. Рабочая точка соответствует давлению наддува 2,5 бара, количеству впрыска 50 мг / л при оборотах двигателя 2000 мин -1 . Обе конфигурации цилиндров имеют положительный газообменный контур. Взаимное влияние отдельных цилиндров на основе импульса продувки с короткими интервалами зажигания (четыре цилиндра) сильно влияет на содержание остаточного газа, но относительно мало влияет на работу насоса.Даже в четырехцилиндровом двигателе импульс продувки приходит слишком поздно или интервал зажигания достаточно велик, чтобы существенно не влиять на работу насоса. Следовательно, среднее эффективное давление нагнетания (PMEP) двухцилиндрового двигателя и четырехцилиндрового двигателя почти одинаково. Необходимый эффективный размер турбины почти равен, хотя общий рабочий объем двигателя и, следовательно, расход выхлопных газов различаются в два раза. Этот факт также отмечен в [3, 5].

    На картинке справа объем выхлопа увеличен до более реалистичного значения 0,6 л. Кроме того, никакие параметры не изменились, так что давление наддува, количество впрыска и эффективность турбокомпрессора идентичны, но результат полностью отличается. PMEP двухцилиндрового двигателя примерно на 0,6 бар ниже / хуже, чем PMEP четырехцилиндрового двигателя. Необходимое эффективное поперечное сечение турбины больше соответствует общим ожиданиям, что оно должно быть значительно меньше или почти вдвое из-за меньшего общего рабочего объема двухцилиндрового двигателя.Таким образом, сравнение различного количества цилиндров во многом зависит от выбранного объема выхлопных газов.

    Объем выхлопа варьировался в широком диапазоне с помощью имитационной модели для двух-, трех- и четырехцилиндровой конфигурации (рис. 3). Глядя на ход PMEP четырехцилиндрового двигателя, можно заметить тенденцию, которую можно было бы ожидать с учетом литературных данных о постоянном давлении и импульсном турбонаддуве. При наименьшем объеме выхлопа достигается самый высокий PMEP.Затем PMEP уменьшается с увеличением объема выхлопных газов и приближается к значению турбонаддува с постоянным давлением.

    Рис. 3

    Изменение объема выхлопа перед турбиной

    Из литературы неизвестно сравнение с двигателем с меньшим количеством цилиндров. В этих случаях PMEP примерно такой же, как и с чисто импульсным турбонаддувом, но он уменьшается значительно быстрее с увеличением объема выхлопных газов, а также достигает более низких значений, чем может когда-либо достичь четырехцилиндровый двигатель.Локальный минимум PMEP особенно хорошо виден на двухцилиндровом двигателе. При дальнейшем увеличении объема PMEP снова повышается и приближается к значениям для четырехцилиндрового двигателя.

    В этом моделировании размер турбины всегда настраивался таким образом, чтобы во впускной камере было давление наддува 2,5 бар. Размер турбины очень похож для всех конфигураций цилиндров с чисто импульсным турбонаддувом. Незначительные различия связаны с газодинамическими эффектами во время очистки.

    Как только объем выхлопных газов увеличивается, размер турбины должен быть уменьшен, чтобы поддерживать желаемое давление наддува.Чем меньше количество цилиндров, тем больше должно быть уменьшение размера турбины. Турбонаддув с постоянным давлением приводит к результату, который, вероятно, оправдывает большинство ожиданий. Для двухцилиндрового двигателя с общим рабочим объемом 0,8 л требуется ровно половина эффективного поперечного сечения турбины, как для четырехцилиндрового двигателя с общим рабочим объемом 1,6 л.

    Таким образом, следует отметить, что для чисто импульсного турбонаддува требуется размер турбины, который должен быть рассчитан только на рабочий объем одного цилиндра, в то время как для чистого турбонаддува с постоянным давлением требуется размер турбины, зависящий только от общего рабочего объема двигателя.

    В зависимости от размера турбины также можно определить, в какой области увеличенный объем выхлопных газов может влиять на давление наддува. Например, при увеличении объема выхлопа на 1 л, начиная с 1 л и четырехцилиндрового двигателя, почти не видно изменения требуемого размера турбины. В результате, даже без замены турбонагнетателя, все равно можно будет достичь того же давления наддува. Совершенно иначе выглядит ситуация с меньшим объемом выхлопных газов или меньшим количеством цилиндров.Например, если на двухцилиндровом двигателе увеличить объем выхлопа на 1 л, исходя из объема выхлопных газов 0,5 л, потребуется турбина гораздо меньшего размера. Или, другими словами, с тем же турбонагнетателем будет создаваться гораздо более низкое давление наддува с большим объемом выхлопных газов.

    Учитывая объем выхлопа при минимальном PMEP, можно показать еще один важный аспект двухцилиндрового двигателя. При таком объеме выхлопа размер турбины должен быть больше, чем при большем объеме выхлопа.Это обстоятельство, в свою очередь, означает, что при работе турбонагнетателя с очень большим объемом выхлопных газов и один раз с объемом выхлопных газов около 0,6 л с меньшим объемом выхлопных газов может быть создано более высокое давление наддува, хотя эффективность (PMEP) ниже. Следовательно, нельзя сделать вывод о более высоком КПД при достижении более высокого давления наддува, поскольку это более высокое давление наддува должно компенсироваться увеличением работы газообмена.

    На рисунке 4 показаны пульсации давления при разном количестве цилиндров и одинаковом объеме выхлопа (0.6 л). Чем меньше количество цилиндров или больше интервал зажигания, тем выше пульсации давления в выпускном коллекторе. Эти пульсации могут значительно повлиять на КПД турбины, но в предыдущих симуляциях КПД турбокомпрессора оставался постоянным. Причина такого поведения (рис. 3, PMEP по объему выхлопа) не может быть объяснена эффективностью турбокомпрессора.

    Рис. 4

    Пульсации давления с разными номерами цилиндров

    Процесс нагнетания цилиндра

    Понимание различных насосных потерь в зависимости от объема выхлопа, а также количества цилиндров требует точного теоретического рассмотрения процесса нагнетания.

    Рис. 5

    Фазы нагнетания цилиндра

    В принципе, процесс выпуска можно разделить на две фазы: фазу продувки и фазу выталкивания. На рисунке 5 показаны различия, основанные на реальном процессе двигателя. В идеализированном процессе двигателя рабочий ход происходит от ВМТ зажигания до следующей НМТ с закрытыми клапанами. При НМТ (время t 1 ) в цилиндре все еще есть давление выше атмосферного. Выпускные клапаны открываются, и происходит выравнивание давления между давлением в цилиндре и противодавлением выхлопных газов, в то время как поршень останавливается в НМТ — фазе продувки.Пока давление в цилиндре выше, чем давление в выпускном коллекторе, газ проходит через турбину, создавая тем самым работу. На этом этапе для процесса разряда не требуется никаких механических работ. Работа по перемещению рабочего газа в цилиндре, так сказать, бесплатна — основная идея турбонаддува.

    После выравнивания давления (с момента времени t 2 ) начинается фаза выталкивания. Поршень движется с постоянным давлением в направлении ВМТ, работа перемещения против давления p 3 должна выполняться кривошипно-шатунным приводом.

    Диаграмма на рис. 5 показывает высоту подъема клапана, давление в цилиндре и объем цилиндра в зависимости от угла поворота коленчатого вала. Эти данные получены в результате моделирования BOOST с очень большим объемом выхлопных газов. В отличие от идеализированного процесса с двигателем, в реальном процессе различить две фазы выхлопа труднее. Выпускной клапан открывается еще до достижения НМТ и до завершения выравнивания давления поршень уже находится в движении вверх. При меньшем объеме выхлопных газов и возникающих в результате пульсации давления в выпускном коллекторе различие становится еще более трудным или размытым.

    Часто проблема постоянного давления и импульсного турбонаддува объясняется сохранением кинетической энергии выходящего газа. Такое термодинамическое объяснение можно найти, например, в [8]. На рисунке 6 показаны результаты моделирования двухцилиндрового двигателя объемом 0,8 л с небольшим объемом выхлопа. Это моделирование, адаптированное к измерениям, как показано на рис. 18, которое предполагается для этого объяснения.

    Общее давление и скорость газа относятся к входному диаметру спиральной камеры около 23 мм, что можно считать довольно низким из-за двухступенчатого наддува и небольшого турбонагнетателя высокого давления.Таким образом, особенно в этой конфигурации, эффекты динамического давления должны быть четко видны. Тем не менее, влияние кажется довольно низким, и общее давление в среднем на 1,85% выше статического давления (по отношению к относительному давлению).

    Рис. 6

    Сравнение полного и статического давления в улитке

    На Рисунке 7 показаны кривые скорости газа в зазоре клапана и на входе улитки турбины. Эта иллюстрация показывает, что, несмотря на малый объем и малый диаметр спиральной камеры, может быть сохранена только часть кинетической энергии, возникающей в зазоре клапана.

    Рис.7

    Сравнение скоростей газа, улитки и клапана

    Рис.8

    Процесс выпуска с турбонаддувом при постоянном давлении

    Но это соображение имеет слабое место: даже при идеальном турбонаддуве с постоянным давлением присутствует динамическая составляющая давления. происходит. Даже если вся кинетическая энергия рассеивается в большой камере статического давления, определенная скорость потока должна иметь место в улитке турбины, в зависимости от массового расхода, давления и температуры. Следовательно, это не подходящая мера для сохранения кинетической энергии.В конечном итоге эффект от сохранения скорости можно считать низким, в отличие от общепринятого мнения.

    В любом случае следует отметить, что во время процесса разряда общая энтальпия должна оставаться постоянной (адиабатический дроссель). В следующих пояснениях термин «скорость» больше не рассматривается, таким образом, давления соответствуют общему давлению.

    Влияние объема выхлопа на энтропию

    Сохранение кинетической энергии также не могло объяснить большие различия в PMEP по выхлопному объему, показанному на рис.3, ни зависимости от количества цилиндров. Чтобы понять эти отношения, необходимо более внимательно изучить нагнетание цилиндра, сначала с турбонаддувом постоянного давления.

    Отток во время фазы продувки подробно описан на рис. 8. Выпускной клапан открывается при НМТ (EO, время a , состояние заполнения цилиндра: 100%). В результате газ выходит из цилиндра и расширяется до давления \ (p_ {3} \), оставляя полную энтальпию неизменной, но с сильным увеличением энтропии.Из-за выходящей массы газа масса газа в баллоне уменьшается. Таким образом, оставшийся в цилиндре газ расширяется изоэнтропически. В момент времени b температура и энтальпия в цилиндре упали, поэтому общая энтальпия истечения теперь ниже, чем в момент времени a . Этот процесс продолжается до тех пор, пока не будет достигнуто выравнивание давления и давление в цилиндре не станет равным давлению \ (p_ {3} \) в выпускном коллекторе (такт выпуска не показан на диаграмме).Среднее состояние выпускного коллектора отмечено точкой 3 (которая также должна учитывать ход выпуска). Это представление также включено в [9]. Кроме того, также объясняется, как аналитически вычислить точку 3.

    Тот же способ представления теперь используется для объяснения импульсного турбонаддува. На рисунке 9 показан принцип импульсного турбонаддува с неблагоприятно большим объемом выхлопных газов на диаграмме \ (h-s \).

    Прежде всего, важно вспомнить следы давления в выпускном коллекторе с рис.4. В качестве примера здесь используется двухцилиндровый двигатель. Между двумя событиями выхлопа противодавление выхлопных газов падает до давления окружающей среды (или до давления за турбиной), по крайней мере, с хорошей эффективностью турбокомпрессора. Это означает, что выпускной коллектор опорожняется до тех пор, пока следующий цилиндр не запустит процесс выпуска отработавших газов.

    Таким образом, на рис. 9 можно увидеть, что самый первый процесс выхлопа в момент времени a соответствует расширению до давления ниже по потоку турбины. Происходит максимально возможное увеличение энтропии.Масса, протекающая в коллектор, больше, чем массовый расход через турбину — начинается рост давления в коллекторе. В момент времени b давление в выхлопном объеме уже несколько увеличилось, но увеличение энтропии все еще выше, чем было бы в случае наддува с постоянным давлением. Это зависит от объема выхлопных газов, насколько быстро может быть достигнуто более высокое давление, чем давление с постоянным давлением турбонаддува (и, следовательно, более высокий КПД). В данном примере более высокий КПД, чем турбонаддув с постоянным давлением, достигается только за время e .

    Рис. 9

    Процесс выпуска при среднем объеме выпуска

    Рис. 10

    Процесс выпуска при небольшом объеме выпуска

    Более благоприятный случай показан на Рис. 10. Это изображение соответствует небольшому объему выпуска. В момент времени a газ снова расширяется до давления окружающей среды, как на предыдущем рисунке. Однако повышение давления происходит намного быстрее из-за небольшого объема, расширение в момент времени b уже достигло более низкого увеличения энтропии, чем турбонаддув с постоянным давлением.Этот результат объясняет падение PMEP по объему выхлопа.

    Локальный минимум PMEP на двухцилиндровом двигателе можно объяснить следующим образом: PMEP падает все дальше и дальше, потому что повышение давления в объеме выхлопных газов происходит все дольше и дольше. Однако в какой-то момент объем настолько велик, что давление между двумя выхлопными газами больше не падает до давления окружающей среды. Следовательно, PMEP затем снова увеличивается и приближается к значению, связанному с турбонаддувом с постоянным давлением.

    Теперь связь между PMEP и количеством цилиндров остается открытой. В принципе, это снова тот же эффект. Следы давления в выпускном коллекторе с рис. 4 с разными номерами цилиндров необходимо снова вызвать. Падение давления в выхлопном объеме до давления окружающей среды происходит только с двухцилиндровым двигателем. На трехцилиндровом двигателе интервал зажигания уже слишком мал. У четырехцилиндрового двигателя самый короткий интервал между запусками в этом сравнении, поэтому давление в выхлопном объеме падает меньше всего.

    На рис. 11 схематично показана самая первая операция выпуска. Трехцилиндровый двигатель расширяет газ в цилиндре до более высокого давления, чем двухцилиндровый двигатель, а четырехцилиндровый двигатель — до еще более высокого давления. То же самое и с точки зрения увеличения энтропии.

    Рис. 11

    Самый первый процесс выпуска и количество цилиндров

    Рис. 12

    PMEP в зависимости от номера цилиндра, объема выпуска и лямбды, давления наддува = 2,5 бар

    Рис.13

    PMEP в зависимости от номера цилиндра, объема выхлопа и лямбды, давление наддува = 1,5 бар

    На рисунке 12 показано влияние количества впрыска на кривые PMEP в зависимости от объема выхлопа. Количество впрыска показано на рисунке. Поскольку EGR не использовалась, лямбда-значения описывают отношение массы заряда цилиндра к массе топлива.

    Чем ниже выбрано соотношение воздух / топливо, тем меньше насосные потери. Кроме того, кривые смещаются в сторону увеличения объема выхлопных газов.С учетом, например, минимума кривой двухцилиндрового двигателя, это примерно при объеме 0,4 л для количества впрыска 35 мг и при объеме 1,4 л для вдвое большего количества впрыска. Это также означает, что при значении лямбда, равном 1, и очень низком, но вполне достижимом объеме выхлопа, между четырехцилиндровым и трехцилиндровым двигателями почти нет, а по сравнению с двухцилиндровым двигателем возникает лишь небольшая разница. С другой стороны, различных насосных потерь при более высоких значениях лямбда невозможно избежать с любым возможным объемом выхлопных газов.

    Что касается дизельного двигателя, случай с количеством впрыска 50 мг будет реальной рабочей точкой при таком давлении наддува.

    Еще один аспект — давление наддува. На рисунке 13 показаны результаты при более низком давлении наддува 1,5 бар. Значения лямбда аналогичны значениям на рис. 12. Что касается формы кривых, то снова можно увидеть те же тенденции, что и при давлении наддува 2,5 бар, но само снижение давления наддува также смещает формы кривой в сторону более высоких объемов. .

    Рассматривая стехиометрический случай, различия четырех- и трехцилиндрового двигателя можно увидеть только при объеме выхлопа более 1 л, а также двухцилиндровый двигатель может иметь аналогичный PMEP. В диапазоне от 0 до 0,5 л выхлопного объема ПМЭП находится на аналогичном уровне. Левый график соответствует типичной рабочей точке дизельного топлива. Следовательно, в случае реально достижимых объемов выхлопных газов неизбежны различные насосные потери в зависимости от количества цилиндров.

    Теперь также можно заметить, что турбонаддув дизельных и бензиновых двигателей принципиально отличается в этом отношении. Из-за потребности в избыточном воздухе и рециркуляции выхлопных газов дизельный двигатель всегда требует значительно более высокого давления наддува, чем бензиновый двигатель со стехиометрическим управлением. Различия становятся очевидными, когда правое изображение с рис. 13 сравнивается с изображением в центре рис. 12. Хотя масса топлива не идентична, это сравнение символизирует различия между дизельными и бензиновыми двигателями с точки зрения количества цилиндров. .

    Рис. 14

    PMEP в зависимости от номера цилиндра, объема выхлопа и \ (\ eta _ {\ mathrm {TC}} \), давления наддува = 2,5 бар, лямбда = 1

    Все эти результаты были получены с постоянный КПД турбокомпрессора 49%. Что касается насосных потерь, более низкий КПД турбокомпрессора можно сравнить с более высокими значениями лямбда. Турбина должна быть меньшего размера и обеспечивать более высокую степень сжатия на такте выпуска. На рисунке 14 показаны эффекты более низкого КПД турбонагнетателя на примере рабочей точки с 2.Давление наддува 5 бар и лямбда = 1. Общий КПД турбокомпрессора составляет 49%, 38,5% и 31,5%. Имеются существенные различия между номерами цилиндров при низком КПД турбокомпрессора даже при малых объемах выхлопных газов.

    Следовательно, аспект, описанный для дизельного двигателя, также имеет решающее значение для бензинового двигателя со стехиометрическим управлением с низким КПД турбонагнетателя. В частности, в бензиновых двигателях, которые все еще в основном оснащены турбокомпрессорами с перепускным клапаном, во многих рабочих точках следует ожидать низкой эффективности турбокомпрессора.Ухудшение эффективности турбокомпрессора имеет двойное влияние, особенно на двухцилиндровый двигатель, поскольку максимум насосных потерь, вероятно, смещается в направлении существующего объема (в зависимости от конструкции).

    На примере объема выхлопных газов 0,5 л снижение КПД турбины с 70 до 45% на четырехцилиндровом двигателе приводит к снижению давления PMEP на 1,22 бар.

    Добавить комментарий

    Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *