Принцип работы турбины

Турбина (турбокомпрессор) стала определяющим звеном в увеличении мощности двигателя.

Что такое турбина и зачем она нужна

Турбина — это устройство в автомобиле, которое предназначено для повышения давления во впускном коллекторе автомобиля, чтобы обеспечить поступление большего количества воздуха, а, следовательно, и кислорода в камеру сгорания.

Основное назначение турбины — с ее помощью можно значительно увеличить мощность автомобиля. При повышении давления во впускном коллекторе на 1 атмосферу в камеру сгорания будет поступать в два раза больше кислорода, а значит, от небольшого турбодвигателя можно ожидать мощности, как от атмосферника с удвоенным объемом: Приблизительная теоретическая арифметика не бессмысленный…

Принцип работы турбокомпрессора

Принцип работы турбины прост: горячие выхлопные газы через выпускной коллектор попадают в горячую часть турбины, проходят через рабочее колесо горячей части, приводя ее в движение, и вал, на котором она установлена. Рабочее колесо самого компрессора закреплено на той же оси в холодной части турбины; эта крыльчатка при вращении создает давление во впускном тракте и впускном коллекторе, обеспечивая поступление большего количества воздуха в камеру сгорания.

Турбинное устройство

Турбина состоит из двух витков: спирали компрессора, через которую воздух всасывается и нагнетается во впускной коллектор, и спирали горячего конца, через которую при вращении турбины проходят выхлопные газы, рабочее колесо турбины и выход в выпускной тракт. Крыльчатка компрессора и крыльчатка горячего конца. Из шарикоподшипникового патрона. Подшипники прикреплены к корпусу, соединяющему обе улитки, а также в корпусе имеется контур охлаждения.

В процессе работы турбина подвергается очень высоким термодинамическим нагрузкам. В горячую часть турбины попадают выхлопные газы очень высокой температуры 800-9000°С, поэтому корпус турбины изготовлен из чугуна особого состава и особого метода литья.

Скорость вращения вала турбины достигает 200 000 об/мин и более, поэтому изготовление деталей требует высокой точности, регулировки и балансировки. Кроме того, турбина предъявляет высокие требования к используемым смазочным материалам. В некоторых турбинах система смазки также служит системой охлаждения подшипниковой части турбины.

Система охлаждения турбины

Система охлаждения турбины двигателя служит для улучшения теплообмена деталей и механизмов турбокомпрессора.

Существует два наиболее распространенных способа охлаждения деталей турбокомпрессора: масляное охлаждение, которым смазываются подшипники, и комплексное масляно-антифризное охлаждение общей системы охлаждения автомобиля.

Оба метода имеют ряд преимуществ и недостатков.

Масляное охлаждение

Преимущества:

• Более простой дизайн
• Более низкая стоимость изготовления самой турбины

Дефекты:

• Меньшая эффективность охлаждения по сравнению со сложной системой
• Более высокие требования к качеству масла и более частая замена масла
• Более требователен к контролю температуры масла

Первоначально большинство серийных двигателей с турбонаддувом оснащались трубками с масляным охлаждением. Проходя через подшипник, масло сильно нагревалось. Затем, когда температура выходила за пределы нормального рабочего диапазона, масло начинало кипеть, закоксовываться, закупоривать каналы и ограничивать доступ смазки и охлаждения к подшипникам. Это приводило к быстрому износу, засорению и дорогостоящему ремонту. Проблема может быть вызвана несколькими причинами: масло низкого качества или не рекомендованное для данного типа двигателя, превышение рекомендуемых интервалов замены масла, неисправность системы смазки двигателя и т.д.

Встроенное охлаждение маслом и антифризом

Преимущества:

• Более высокая эффективность охлаждения

Дефекты:

• Более сложная конструкция самого турбокомпрессора, как следствие более высокая стоимость

При охлаждении турбины маслом и антифризом повышается КПД и практически отсутствуют такие проблемы, как закипание и закоксовывание масла. Но эта система охлаждения имеет более сложную конструкцию. Он имеет отдельные масляный контур и контур хладагента. Масло, как и прежде, служит для смазки подшипников и для охлаждения, а антифриз, который используется из общей системы охлаждения двигателя, предотвращает перегрев и закипание масла. В результате увеличивается стоимость самой конструкции.

При работе турбины воздух сжимается под действием компрессора и в результате сильно нагревается, что имеет нежелательные последствия: чем выше температура воздуха, тем меньше в нем кислорода, тем ниже КПД наддува. Для борьбы с этим явлением предназначен интеркулер: воздушный интеркулер.

Подогрев воздуха — не единственная проблема, с которой пытаются бороться конструкторы при проектировании двигателя с турбонаддувом. Актуальной проблемой является инерция турбины (турбинный лаг, турбо лаг), запаздывание реакции двигателя на открытие дроссельной заслонки. Турбина достигает пика своих возможностей при определенных оборотах двигателя, поэтому появилось мнение, что турбина включается при определенных оборотах. Турбина, в большинстве случаев, работает всегда, и скорость, при которой она достигает максимального КПД, различна для каждого двигателя и каждой турбины. Стремясь решить эту проблему, твин-турбо (твин-турбо, твин-турбо, би-турбо, би-турбо) системы, турбины с двойной спиралью (твин-скролл), турбины с изменяемой геометрией сопла и переменным углом наклона рабочего колеса (VGT) уже появился.

Твин-турбо (двойное турбо) — система, в которой используются две одинаковые турбины. Задача этой системы — увеличить объем или давление поступающего воздуха. Он используется, когда требуется максимальная мощность на высоких оборотах, например, в дрэг-рейсинге. Такая система реализована на легендарном японском автомобиле Nissan Skyline Gt-R с двигателем rb26-dett.

Та же система, но с одинаковыми маленькими турбинами, позволяет получить наддув на низких оборотах и ​​удерживать наддув постоянным до красной зоны.

Битурбо (bi-turbo) — системы с двумя разными турбинами, которые соединены последовательно. Система устроена таким образом, что на низких оборотах работает маленькая турбина, которая обеспечивает хороший отклик на малых оборотах, при определенных условиях «включается» большая турбина и обеспечивает наддув на высоких оборотах. Это позволяет автомобилю уменьшить отставание двигателя и получить хороший прирост производительности во всем диапазоне двигателей.

Такие системы турбонаддува используются в битурбированных автомобилях BMW.

Турбина с изменяемой геометрией (ВГТ) представляет собой систему, в которой лопатки рабочего колеса в горячей секции могут изменять угол наклона потока выхлопных газов.

При низких оборотах двигателя площадь прохода выхлопных газов становится уже, и «выхлоп» проходит с большей скоростью и большей отдачей энергии. При увеличении оборотов двигателя проходное сечение становится шире и сопротивление движению выхлопных газов уменьшается, но при этом энергии достаточно для создания компрессором необходимого давления. Чаще всего система ВГТ используется в дизелях, где меньше тепловые нагрузки, ниже скорость вращения ротора турбины.

При увеличении оборотов двигателя выхлопные газы перемещаются по контуру, диаметр которого больше, тем самым поддерживая рабочее давление во впускной системе и предотвращая запоры на пути выхлопных газов. Все это регулируется клапанами, которые меняют поток с одного контура на другой.