Особенности эксплуатации дизельных двигателей с турбонаддувом: Правила эксплуатации турбо дизельного мотора. Как правильно эксплуатировать турбодизельный двигатель Правильно эксплуатировать бензиновый двигатель

Если вы знакомы с дизельными двигателями, но не знаете, как именно работает турбокомпрессор, вы не одиноки. «С турбонаддувом» — это фраза, которую часто используют в популярной культуре, но мало кто понимает, что она на самом деле означает, не говоря уже о том, для чего ее можно использовать.

в Корпус-Кристи, Техас — невероятно полезное решение для многих коммерческих, промышленных и даже частных приложений.Как следует из названия, «турбонаддув» увеличивает выходную мощность двигателя, но как это работает и когда это может быть наиболее полезно? Давайте разберемся.

работают за счет сжатия воздуха внутри цилиндра для повышения его температуры, что приводит к воспламенению топлива. Это отличается от традиционных бензиновых двигателей, в которых требуется искра (от свечи зажигания) для воспламенения топливно-воздушной смеси. Вместо этого в дизельных двигателях температура сжатого воздуха повышается до такой степени, что он самопроизвольно воспламеняется в цилиндре и оттуда приводит в действие двигатель.

Турбокомпрессор использует мощность дизельного двигателя, сжимая еще больше воздуха внутри цилиндра перед впрыском топлива. Молекулы воздуха плотно упакованы вместе, что позволяет впрыснуть еще больше топлива до того, как оно сгорит.

Турбокомпрессоры состоят из двух основных компонентов: турбины и компрессора. Турбина перемещает выхлопной газ через турбину и выходит через выпускное отверстие, в то время как компрессор втягивает воздух и сжимает его. Чем больше воздуха попадает в двигатель, тем больше топлива может сгореть, что увеличивает механическую мощность двигателя.

Установка турбонагнетателя на ваш автомобиль или грузовик может значительно увеличить расход топлива, сокращая при этом громкие шумы и пары, которые обычно сопровождают работу дизельного двигателя. Они также позволяют двигателям меньшего размера давать более надежные результаты. Они также более эффективны — турбокомпрессоры могут отводить выхлопные газы.

Однако турбокомпрессор может не подходить для каждого автомобиля или промышленного применения в Корпус-Кристи, штат Техас. Из-за того, что они сильно нагреваются, они с большей готовностью используют запас масла в двигателе, и для этого могут потребоваться дополнительные водопроводные трубы.Им также может потребоваться некоторое время, чтобы набрать скорость и обеспечить ускорение, но когда они это сделают, достижение порогового значения ускорения может обеспечить очень быстрый скачок мощности.

Если у вас есть вопросы о том, подходит ли турбокомпрессор для вашего двигателя, не забудьте спросить дружелюбную команду в Coastal Diesel Injection в следующий раз, когда вы принесете свой автомобиль на встречу.

Думаете о модернизации до дизельного двигателя с турбонаддувом или хотите отремонтировать и обслужить тот, который у вас уже есть? Прибрежный впрыск дизельного топлива может помочь.Мы являемся ведущей мастерской по установке и ремонту дизельных двигателей в Корпус-Кристи, выполняя все потребности вашего двигателя. Мы предлагаем как новые, так и модернизированные варианты, позволяя вам найти подходящий двигатель по разумной цене. Позвоните нам сегодня, чтобы обсудить варианты турбонаддува и получить золотой стандарт обслуживания, которым мы известны.

Категория: Турбокомпрессоры

Турбокомпрессор — обзор | Темы ScienceDirect

1 ВВЕДЕНИЕ

Турбокомпрессоры обычно оснащаются опорными подшипниками для поддержки турбин и ротора в сборе.Однако шарикоподшипники стали популярными в качестве замены опорных подшипников в турбонагнетателях. Ван (1) в своем обзоре технологии керамических подшипников указывает, что гибридные керамические подшипники могут обеспечить лучшую реакцию на ускорение, более низкие требования к крутящему моменту, более низкие вибрации и меньшее повышение температуры, чем опорные подшипники. Гибридные керамические шарикоподшипники содержат стальные внутреннюю и внешнюю обоймы, керамические шарики и, как правило, механически обработанный сепаратор. Керамические шарики по сравнению со стальными противоположными частями легче, гладче, жестче, тверже, устойчивы к коррозии и электрически.Эти фундаментальные характеристики позволяют значительно улучшить рабочие характеристики подшипниковой системы ротора. Керамические шарики особенно хорошо подходят для использования в суровых, высоких температурах и / или коррозионных средах. Поэтому гибридные керамические подшипники идеально подходят для турбонагнетателей. Miyashita et al. (2), Keller et al. (3) и Tanimoto et al. (4) использовали шарикоподшипники в небольших автомобильных турбокомпрессорах. Тем не менее, проблемы все еще остаются для высокоскоростных турбонагнетателей с большой мощностью, для которых требуются подшипники с большим внутренним диаметром, работающие с номинальным диаметром более 2 миллионов.По мере увеличения размера подшипника динамика роторной системы подшипников становится критической для комплексного проектирования и удовлетворительной работы турбокомпрессора.

Исследователи попытались аналитически проанализировать динамику роторной системы турбокомпрессора. San Andrés et al. (5,6,7) представили комплексные модели для прогнозирования динамики турбокомпрессора. Включение полной модели подшипника с жидкостной пленкой позволило понять влияние динамики подшипника на динамику турбокомпрессора.Bou-Said et al. (8) также исследовали динамику ротора турбонагнетателя с линейными и нелинейными моделями аэродинамических подшипников. Петтинато и др. (9) продемонстрировали преимущества таких динамических моделей ротора турбокомпрессора, используя их для улучшения конструкции подшипников, используемых в турбокомпрессоре. Бонелло (10) реализовал нелинейную модель для исследования динамики турбокомпрессора на полностью плавающих и полуплавающих кольцевых подшипниках. Однако большая часть работы над динамическими моделями ротора турбокомпрессора была сосредоточена на турбокомпрессорах с опорными подшипниками.Поэтому эти модели не могут предсказать динамику ротора турбокомпрессоров, в которых используются подшипники качения. Тем не менее, исследователи попытались разработать аналитические модели для изучения динамики простых роторных систем с подшипниками качения. Гупта (11-13) был одним из первых, кто представил трехмерную динамическую модель подшипника. Разработанная модель была способна анализировать движение всех компонентов подшипника. Meyer et al. (14) представили влияние дефектов на подшипник и продемонстрировали характер колебаний, связанных с дефектами.Saheta et al. (15) и Ghaisas et al. (16) представили полностью динамическую модель дискретных элементов с шестью степенями свободы. В их моделях компоненты подшипников рассматриваются как части сфер и цилиндров, что значительно сокращает вычислительные затраты, связанные с динамическим моделированием подшипников. Sopanen et al. (17, 18) разработали модель подшипника, учитывающую влияние включений. Однако в их анализе динамика клетки и центробежные нагрузки не учитывались. Аштекар и др. (19, 20) разработали модель подшипника с шестью степенями свободы, которая учитывала эффекты дефектов поверхности подшипника.В целом предыдущие исследователи сосредоточились на динамике подшипников и проигнорировали сложное взаимодействие роликовых подшипников с системой вал / ротор. Однако для полного понимания и изучения высокоскоростных турбонагнетателей с большой выходной мощностью критически важно объединить влияние подшипников и динамики вала / ротора. В высокоскоростных приложениях ротор претерпевает различные формы колебаний, что приводит к сложному движению несущей системы ротора. Lim et al. (21) и Hendrikx et al. (22) разработали модель подшипника, учитывающую эффекты гибкости ротора; однако они пренебрегли влиянием сепаратора подшипника на динамику системы.Тивари (23, 24) рассмотрел влияние дисбаланса и предварительной нагрузки подшипников на динамику ротора, однако была рассмотрена упрощенная модель идеального подшипника и предполагалось, что ротор является жестким. Пренгер (25) представил модель подшипника, способную моделировать конические роликовые подшипники и радиально-упорные подшипники. Модель Пренгера включала эффект гибких валов; однако рассматривались только простые модели вала, и эта модель не могла работать с высокоскоростными приложениями. Программное обеспечение BEAST, разработанное Stacke et al (26), как известно, учитывает гибкость ротора; однако ни модель, ни результаты не являются общедоступными.

В этом исследовании была разработана модель, представляющая систему подшипников ротора турбокомпрессора. Модель сочетает в себе модель подшипника с дискретным элементом и модель гибкого ротора для имитации динамики системы подшипника ротора. Затем модель использовалась для исследования движения каждого компонента подшипника и определения сил и прогиба ротора в зависимости от различных условий эксплуатации. Результаты модели были использованы для исследования характеристик подшипников при различных предварительных нагрузках, дисбалансе ротора и рабочих скоростях.

Как работают турбокомпрессоры? | Кто изобрел турбокомпрессоры?

Криса Вудфорда. Последнее изменение: 18 февраля 2021 г.

Идеального изобретения не бывает: всегда можно сделать что-нибудь лучше, дешевле, более эффективный или более экологически чистый. Возьмите внутренний двигатель внутреннего сгорания. Вы можете подумать, что это замечательно, что машина приводимый в действие жидкостью, может сбросить вас по шоссе или ускорить небо во много раз быстрее, чем вы могли бы путешествовать иначе.Но это всегда можно построить двигатель, который будет работать быстрее, дальше или потреблять меньше топливо. Один из способов улучшить двигатель — использовать турбокомпрессор —a пара вентиляторов, которые используют отработанную мощность выхлопных газов в задней части двигателя, чтобы втиснуть больше воздух попадает в переднюю часть, обеспечивая большую «мощь», чем в противном случае. получать. Все мы слышали о турбинах, но как именно они работают? Давайте присмотритесь!

Фото: в типичном автомобильном турбокомпрессоре используется пара таких вентиляторов в форме улитки.Тот, который вы видите здесь, — это Garrett GT2871R, который вот-вот будет установлен на двигатель Pontiac G8. Фото Райана Делкора любезно предоставлено ВМС США.

Что такое турбокомпрессор?

Фото: два вида безмасляного турбокомпрессора, разработанного НАСА. Фото любезно предоставлено Исследовательский центр НАСА Гленна (NASA-GRC).

Вы когда-нибудь наблюдали, как мимо проезжают машины, из выхлопной трубы которых струится сажа? Очевидно, выхлопные газы вызывают загрязнение воздуха, но это гораздо меньше очевидно, что они при этом тратят энергию впустую.Выхлоп смесь горячих газов откачивается на скорости и вся энергия содержит — тепло и движение (кинетическая энергия) — исчезает бесполезно в атмосферу. Было бы здорово, если бы двигатель Могли ли как-то использовать эту бесполезную энергию, чтобы машина ехала быстрее? Именно это и делает турбокомпрессор.

Автомобильные двигатели вырабатывают энергию за счет сжигания топлива в прочных металлических канистрах, называемых цилиндрами. Воздух входит каждый цилиндр смешивается с топливом и горит, чтобы произвести небольшой взрыв который выталкивает поршень, вращая валы и шестерни, которые вращают колеса автомобиля.Когда поршень возвращается внутрь, он нагнетает отработанный воздух. и топливная смесь выходит из цилиндра в качестве выхлопа. Количество мощности Производительность автомобиля напрямую зависит от того, насколько быстро он сжигает топливо. В у вас больше цилиндров и чем они больше, тем больше топлива машина может гореть каждую секунду и (по крайней мере теоретически) тем быстрее можешь идти.

Один из способов ускорить движение автомобиля — это добавить больше цилиндров. Вот почему сверхбыстрые спортивные автомобили обычно имеют восемь и двенадцать цилиндров вместо четырех или шести цилиндры в обычном семейном автомобиле.Другой вариант — использовать турбонагнетатель, который каждую секунду нагнетает в цилиндры больше воздуха, они могут сжигать топливо быстрее. Турбокомпрессор — это простой, относительно дешевый, дополнительный немного обвеса, который может получить больше мощности от того же двигателя!

Как работает турбокомпрессор?

Если вы знаете, как работает реактивный двигатель, вы на полпути к пониманию турбонагнетателя автомобиля. А реактивный двигатель всасывает холодный воздух спереди, сжимает его в камеру где он горит топливом, а затем выдувает горячий воздух из спины.В качестве горячий воздух уходит, он с ревом проносится мимо турбины (что-то вроде очень компактная металлическая ветряная мельница), которая приводит в движение компрессор (воздушный насос) спереди двигателя. Это бит, который нагнетает воздух в двигатель, чтобы заставить топливо гореть должным образом. Турбокомпрессор на автомобиле применяет очень принцип аналогичен поршневому двигателю. Он использует выхлопные газы для водить турбину. Это вращает воздушный компрессор, который выталкивает дополнительный воздух. (и кислород) в цилиндры, позволяя им сжигать больше топлива каждый второй. Вот почему автомобиль с турбонаддувом может производить больше мощности (что это еще один способ сказать «больше энергии в секунду»).Нагнетатель (или «нагнетатель с механическим приводом», чтобы дать ему полное название) очень похож на турбонагнетатель, но вместо того, чтобы приводиться в действие выхлопными газами с помощью турбины, он приводится в действие вращающимся коленчатым валом автомобиля. Обычно это недостаток: там, где турбокомпрессор питается от отходов энергии выхлопных газов, нагнетатель фактически крадет энергию от собственного источника энергии автомобиля (коленчатого вала), что обычно бесполезно.

Фото: Суть турбокомпрессора: два газовых вентилятора (турбина и компрессор), установленные на одном валу.Когда один поворачивается, другой тоже поворачивается. Фото любезно предоставлено Исследовательским центром NASA Glenn Research Center (NASA-GRC).

Как на практике работает турбонаддув? Турбокомпрессор — это два маленьких вентилятора (также называемых крыльчатками). или бензонасосы), сидящие на одном металлическом валу, так что оба вращаются вместе. Один из этих вентиляторов, называемый турбиной , находится в выхлопная струя из цилиндров. Когда цилиндры выдувают горячий газ лопасти вентилятора, они вращаются и вал, с которым они соединены (технически называемый вращающийся узел центральной ступицы или CHRA) также вращается.Второй вентилятор называется , компрессор и, поскольку он сидит на том же валу, что и турбина, он тоже вращается. Он установлен внутри воздухозаборника автомобиля, так что, вращаясь, он втягивает воздух в машину и нагнетает его в цилиндры.

Теперь здесь небольшая проблема. Если сжать газ, он станет горячее (вот почему велосипедный насос нагревается, когда вы начинаете накачивать шины). Горячее воздух менее плотный (поэтому теплый воздух поднимается над радиаторами) и меньше эффективны для сжигания топлива, поэтому было бы намного лучше, если бы воздух, поступающий из компрессора, был охлажден перед входом цилиндры.Для его охлаждения мощность компрессора проходит через над теплообменником, который удаляет дополнительное тепло и направляет его в другое место.

Как работает турбокомпрессор — подробный обзор

Основная идея заключается в том, что выхлоп приводит в движение турбину (красный вентилятор), которая напрямую подключен (и питает) компрессор (синий вентилятор), который нагнетает воздух в двигатель. Для простоты мы показываем только один цилиндр. Итак, вкратце, как все это работает:

1. Холодный воздух поступает в воздухозаборник двигателя и направляется к компрессору.
2. Вентилятор компрессора помогает всасывать воздух.
3. Компрессор сжимает и нагревает поступающий воздух, а затем снова его выдувает.
4. Горячий сжатый воздух от компрессора проходит через теплообменник, который охлаждает его.
5. Охлажденный сжатый воздух поступает в воздухозаборник цилиндра. Дополнительный кислород помогает сжигать топливо в цилиндре быстрее.
6. Поскольку цилиндр сжигает больше топлива, он быстрее вырабатывает энергию и может передавать больше мощности на колеса через поршень, валы и шестерни.
7. Отработанный газ из цилиндра выходит через выхлопное отверстие.
8. Горячие выхлопные газы, обдувающие турбинный вентилятор, заставляют его вращаться с высокой скоростью.
9. Вращающаяся турбина установлена ​​на том же валу, что и компрессор (показан здесь бледно-оранжевой линией). Итак, когда вращается турбина, вращается и компрессор.
10. Выхлопные газы покидают автомобиль, расходуя меньше энергии, чем в противном случае.

На практике компоненты можно было соединить примерно так.Турбина (красная справа) забирает отработанный воздух через впускное отверстие, приводя в действие компрессор (синий, слева), который забирает чистый наружный воздух и нагнетает его в двигатель. Эта конкретная конструкция имеет электрическую систему охлаждения (зеленую) между турбиной и компрессором.

Иллюстрация: Как турбина и компрессор соединены в турбонагнетателе с электрическим охлаждением. Из патента США № 7,946,118: Охлаждение турбонагнетателя с электрическим управлением Уиллом Хиппеном и др., Ecomotors International, выдано 24 мая 2011 г.Изображение любезно предоставлено Управлением по патентам и товарным знакам США.

Откуда берется дополнительная мощность?

Турбокомпрессоры придают автомобилю больше мощности, но эта дополнительная мощность не поступать напрямую из отработанных выхлопных газов — и это иногда сбивает людей с толку. С турбонагнетателем мы используем часть энергии выхлопных газов для приведения в действие компрессора, что позволяет двигателю сжигать больше топлива каждую секунду. Это дополнительное топливо — вот где дополнительная мощность автомобиля происходит от. Все выхлопные газы приводят в действие турбокомпрессор и, поскольку турбокомпрессор не подключен к коленчатому валу или колесам автомобиля, он не напрямую, , каким-либо образом увеличивает мощность автомобиля.Это просто включение один и тот же двигатель для более быстрого сжигания топлива, что делает его более мощным.

Сколько дополнительной мощности вы можете получить?

Если турбокомпрессор дает двигателю большую мощность, более крупный и лучший турбокомпрессор даст это даже больше мощности. Теоретически вы можете продолжать улучшать свой турбокомпрессор. чтобы сделать ваш двигатель все более мощным, но в конечном итоге вы достигнете предела. Цилиндры такие большие, и топлива они могут сжечь ровно столько, сколько нужно. Через впускное отверстие определенного размера вы можете втолкнуть в них столько воздуха, сколько выхлопных газов, что ограничивает энергию, которую вы можете использовать для приведения в действие турбокомпрессора.Другими словами, в игру вступают и другие ограничивающие факторы, которые необходимо учитывать. аккаунт тоже; нельзя просто турбонаддувом проложить себе путь до бесконечности!

Достоинства и недостатки турбокомпрессоров

Фото: Типичный автомобильный турбокомпрессор. Вы можете ясно видеть два вентилятора / нагнетателя (один над другим) и их вход / выход. Фото любезно предоставлено Армией США.

Вы можете использовать турбокомпрессоры как с бензиновыми, так и с дизельными двигателями и более или менее на любых вид транспортного средства (автомобиль, грузовик, корабль или автобус).Основное преимущество использования турбонагнетателя в том, что вы получаете большую выходную мощность. для двигателя того же размера (каждый ход поршня в каждом цилиндре генерирует больше мощности, чем в противном случае). Однако чем больше мощность, тем выше выход энергии в секунду, и закон сохранения энергии говорит нам, что вы должны вкладывать больше энергии, поэтому вы должны сжигать, соответственно, больше топлива. Теоретически это означает, что двигатель с турбонагнетателем не более экономичен, чем двигатель без него.Однако на практике двигатель, оснащенный турбонагнетателем, намного меньше и легче, чем двигатель, производящий такую ​​же мощность без турбонагнетателя, поэтому автомобиль с турбонагнетателем может обеспечить лучшую экономию топлива в этом отношении. Производители теперь часто могут обойтись без установки гораздо меньшего двигателя на тот же автомобиль (например, V6 с турбонаддувом вместо V8 или четырехцилиндрового двигателя с турбонаддувом вместо V6). И именно здесь автомобили с турбонаддувом получают свое преимущество: при хорошей работе они могут сэкономить до 10 процентов вашего топлива.Поскольку они сжигают топливо с большим количеством кислорода, они, как правило, сжигают его более тщательно и чисто, вызывая меньшее загрязнение воздуха.

« Большинство отраслевых экспертов ожидают, что к 2027 году более половины автомобилей, проданных в США, будут оснащаться одним двигателем. ”

The New York Times, 2018

Большая мощность при том же размере двигателя — это замечательно, так почему же не все двигатели имеют турбонаддув? Одна из причин заключается в том, что преимущества экономии топлива, обещанные ранними турбокомпрессорами, не всегда оказывались столь впечатляющими, как утверждали производители (стремящиеся воспользоваться любым маркетинговым преимуществом над своими конкурентами).Одно исследование 2013 года, проведенное Consumer Reports, показало, что небольшие двигатели с турбонаддувом дают значительно худшую экономию топлива, чем их «безнаддувные» (обычные) аналоги, и пришел к выводу: «Не принимайте экологические хвастовства двигателей с турбонаддувом за чистую монету. Есть более эффективные способы экономить топливо, в том числе гибриды, дизели и другие передовые технологии ». Надежность тоже часто была проблемой: турбокомпрессоры добавляют еще один уровень механической сложности к обычному двигателю — короче говоря, есть еще немало вещей, которые могут пойти не так.Это может значительно удорожать обслуживание турбин. По определению, турбонаддув — это получение большего от той же базовой конструкции двигателя, и многие компоненты двигателя должны испытывать более высокие давления и температуры, что может привести к более быстрому выходу деталей из строя; вот почему, вообще говоря, двигатели с турбонаддувом служат не так долго. Даже вождение с турбонаддувом может отличаться: поскольку турбокомпрессор приводится в действие выхлопными газами, часто наблюдается значительная задержка («турбо-задержка») между тем, когда вы нажимаете ногу на акселератор, и моментом включения турбонаддува, и это может привести к турбо-турбо. машины очень разные (а иногда и очень хитрые) в управлении.В последние несколько лет ведущие производители, такие как Garrett и BorgWarner, активно разрабатывают частично или полностью электрические турбокомпрессоры для решения этой проблемы; Предложение Гарретта называется E-Turbo, а предложение Борга — eBooster®.

Кто изобрел турбокомпрессор?

Кому мы благодарим за турбокомпрессоры? Альфред Дж. Бюхи (1879–1959), автомобильный инженер, работавший в двигательной компании Gebrüder Sulzer в Винтертуре, Швейцария. Как и в случае с турбонагнетателем, который я проиллюстрировал выше, в его первоначальной конструкции использовался приводной от выхлопа вал турбины для питания компрессора, который нагнетал больше воздуха в цилиндры двигателя.Первоначально он разработал турбокомпрессор за годы до Первой мировой войны и запатентовал его в Германии в 1905 году, но продолжал работать над улучшенными конструкциями до своей смерти четыре десятилетия спустя.

Бючи была не единственной важной фигурой в этой истории. Несколькими годами ранее сэр Дугалд Кларк (1854–1932), шотландский изобретатель двухтактного двигателя, экспериментировал с разделением ступеней сжатия и расширения внутреннего сгорания с помощью двух отдельных цилиндров. Это немного похоже на наддув, увеличивая как поток воздуха в цилиндр, так и количество топлива, которое может быть сожжено.Другие инженеры, в том числе Луи Рено, Готлиб Даймлер и Ли Чедвик также успешно экспериментировал с системами наддува.

Изображение: один из проектов турбокомпрессора Альфреда Бючи конца 1920-х годов (патент был подан в 1927 году и выдан в апреле 1934 года). Я раскрасил его, чтобы вы могли быстро разобраться в этом. Вы можете увидеть один цилиндр (желтый) и поршень, кривошип и шатун (красный) слева. Выхлопные газы из цилиндра проходят через трубу (зеленую), которая приводит в движение турбину.Он подключен к оранжевому «нагнетателю» (компрессору) и охладителю (синяя рамка), который нагнетает воздух в цилиндр через синюю трубу. Есть множество других сложных деталей, но я не буду вдаваться во все детали; Если вам интересно, взгляните на патент США № 1,955,620: Двигатель внутреннего сгорания (обслуживается через Google Patents). Изображение любезно предоставлено Управлением по патентам и товарным знакам США.

Узнать больше

На этом сайте

Книги для старших читателей

Книги для юных читателей

• Car Science Ричард Хаммонд.Дорлинг Киндерсли, 2007. Объясняет, почему ваша машина работает (в возрасте 9–12 лет).

Статьи

• Garrett E-Turbo обещает большую мощность, лучшую эффективность и меньшее отставание от Аарона Терпена, New Atlas, 20 октября 2019 года. История новых электрических турбин Гарретта.
• Прыжки с турбонаддувом с гоночной трассы до Кюль-де-Сак, автор Стивен Уильямс. The New York Times, 25 октября 2018 года. Как турбокомпрессоры стали неотъемлемой частью современного автомобильного двигателя.
• «Маленький вентилятор, решающий самую большую проблему турбокомпрессора». Автор Алекс Дэвис.Wired, 24 августа 2017 г. Краткий обзор eBooster от BorgWarner.
• Как сделать турбодвигатели более эффективными? «Просто добавь воды» Ник Чап. The New York Times, 29 сентября 2016 г. Компания Bosch возрождает идею распыления воды на цилиндры с турбонаддувом, чтобы они работали более прохладно и менее беспорядочно.
• Автопроизводители считают, что турбины — мощный путь к экономии топлива Лоуренс Ульрих. The New York Times, 26 февраля 2015 г. Почему такие производители, как Ford и BMW, с энтузиазмом продвигают двигатели с турбонаддувом.
• 50 лет назад Джим Коскс сделал турбонагнетатель революционной технологией. The New York Times, 19 декабря 2014 года. Как первые турбокомпрессоры в конечном итоге преодолели свои первые проблемы.
• Чак Скватриглиа, «Если вы не водите турбо», то скоро будете. Wired, 24 сентября 2010 г. Ожидается, что к 2015 году количество автомобилей с установленными турбокомпрессорами удвоится, поскольку производители ищут новые способы повышения производительности от двигателей меньшего размера.
• Turbo приветствует экологические достижения Йорна Мадслиена.BBC News, 11 октября 2009 г. Турбины заставляют автомобили двигаться быстрее; они также могут сделать их «экологичнее» за счет снижения расхода топлива.

Патенты

Если вы ищете подробные технические описания того, как все работает, патенты — хорошее место для начала. Здесь Вот несколько недавних патентов на турбокомпрессоры, которые стоит проверить:

• Патент США № 1,955,620: Двигатель внутреннего сгорания Альфреда Дж. Бючи, выдан 17 апреля 1934 г. Первый турбодвигатель, разработанный самим изобретателем турбокомпрессоров.
Патент США №
• № 2 309 968: Управление турбокомпрессором и метод, выданный Ричардом Дж. Ллойдом, Корпорация Гарретт, выдан 1 февраля 1977 года. Основное внимание уделяется системе управления турбокомпрессором, которая эффективно работает при различных оборотах двигателя.
• Патент США № 4083188: Система турбонагнетателя двигателя, выданная Emerson Kumm, The Garrett Corporation, 11 апреля 1978 года. Современный турбонагнетатель для дизельного двигателя с низкой степенью сжатия.
• Патент США № 7,946,118: Охлаждение турбонагнетателя с электрическим управлением Уиллом Хиппеном и др., Ecomotors International, выдан 24 мая 2011 г.Новый метод охлаждения турбокомпрессора.

Пожалуйста, НЕ копируйте наши статьи в блоги и другие сайты

статей с этого сайта зарегистрированы в Бюро регистрации авторских прав США. Копирование или иное использование зарегистрированных работ без разрешения, удаление этого или других уведомлений об авторских правах и / или нарушение смежных прав может привести к серьезным гражданским или уголовным санкциям.

Авторские права на текст © Chris Woodford 2010, 2020. Все права защищены. Полное уведомление об авторских правах и условиях использования.

eBooster является зарегистрированным товарным знаком BorgWarner Inc. Corporation

Подписывайтесь на нас

Сохранить или поделиться этой страницей

Нажмите CTRL + D, чтобы добавить эту страницу в закладки на будущее, или расскажите об этом своим друзьям с помощью:

Цитируйте эту страницу

Вудфорд, Крис. (2010/2020) Турбокомпрессоры. Получено с https://www.explainthatstuff.com/how-turbochargers-work.html. [Доступ (укажите дату здесь)]

Подробнее на нашем сайте…

Супер турбонаддув дизельного двигателя с прямым впрыском

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, так как 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 компрессора (турбо-задержка). Таким образом, турбокомпрессор расходует часть извлекаемой 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 турбонагнетателе скорость вращения может изменяться в широких пределах, в случае нагнетателя скорость компрессора ограничивается 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 со скоростью, отличной от равновесной, а мощность может подаваться на коленчатый вал или отводиться от него.Это нововведение, которое изучается здесь, направлено на улучшение наддува и рекуперации отработанного 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 скоростью турбокомпрессора и, следовательно, потоком мощности к коленчатому валу или от вала турбокомпрессора, а также повышением давления теперь достигается за счет управления передаточным числом 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 к коленчатому валу. Путем изменения передаточного числа 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 не имеет современного вариатора, такого 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], позволяющую запускать нагнетатель в широком диапазоне оборотов и наддува независимо от частоты вращения двигателя.Механизм состоит из вариатора тягового привода (TDV) и планетарного привода 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 скорости передаточного числа 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 механической системы 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 составлять от 4,43 до 35,73 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 (а) или между компрессором и турбиной (b) со стороны блока двигателя / генератора (b), который используется в Формуле-1, например, Renault или Ferrari в сезоне 2014 года. MGU-H получает или подает 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 турбонагнетателя, вырабатывается при разряде аккумулятора через MHU-H и не влияет на поток мощности к колесам. Поскольку любое изменение формы энергии, с механической на электрическую на химическую и наоборот, происходит с КПД менее 100%, чисто механический супертурбонаддув также имеет преимущества по сравнению сгибридный электрический с 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 турбокомпрессор 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), подобная принятой 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 скорость турбонагнетателя — это скорость, которая максимизирует общий выходной крутящий момент на коленчатом валу и общую топливную эффективность. η *, определяемый как отношение мощности на поршневом коленчатом валу, увеличенной мощности от вала турбонагнетателя к потоку топлива. сила.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 данной 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 рисунке 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 компрессора со стороны вариатора для механического соединения с коленчатым валом через двойной тороидальный вариатор и 3 пары шестерен или один тороидальный вариатор с 1 парой зубчатых колес к / от коленчатого вала. Бесступенчатая трансмиссия состоит из входного и выходного диска (дисков) и приводных роликов, с передаточным числом, равным отношению радиусов входного и выходного контакта.Также может быть добавлено сцепление для обеспечения сбалансированной работы турбонагнетателя без привязки к скорости двигателя, если / когда это будет сочтено целесообразным. Конструкции бесступенчатой ​​трансмиссии (а) и (b) — это лишь 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 вариатор и 3 пары шестерен (а) или одиночный тороидальный вариатор с 1 парой зубчатых колес (б).

Механическая система имеет недостатки в упаковке и гибкости по сравнению с электрической системой. 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 посредством тороидальной конструкции, такой 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, таким образом, 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) позволяют 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 с передаточным числом цилиндров 0,829, отношением длины / хода шатуна 1,896, степенью сжатия 18,5: 1, максимальной степенью сжатия компрессора 4,0, рабочим объемом 3,8 литра. Этот двигатель предназначен для использования в гонках, а не в легковых автомобилях.

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 перед началом 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 коленчатого вала для предварительного ожога), основная продолжительность (продолжительность в градусах угла поворота коленчатого вала 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 с другим наддувом. Поскольку предполагается, что температура и давление внутри цилиндра увеличиваются, 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. Турбонагнетатель 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 КПД 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. Число оборотов компрессора составляет 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. У турбонагнетателя есть области оптимальной работы, области, где он работает менее эффективно, и области, где он не может работать. Соединение коленчатого вала через механизм регулируемого передаточного числа позволяет искать оптимальную рабочую точку, изменяя передаточное отношение 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 специфический 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 компонентов, 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 рассчитывать 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 902 КПД вариатора и зубчатой ​​пары.И наоборот, когда Δ P t , c = (P t −P c ) <0, то мощность, потребляемая от коленчатого вала, составляет Δ P , c / η CVT .}

На Рисунке 5 представлены предварительные результаты деятельности. a) и b) — это степень давлений в компрессоре и турбине, а c) и d) — это соотношение скоростей турбокомпрессор / двигатель и частота вращения турбонагнетателя.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, поскольку 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 скорости 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 работе с частичной нагрузкой турбокомпрессор продолжает получать энергию на низких скоростях — от средних до высоких нагрузок, в то время как на высоких скоростях — от средних до высоких нагрузок 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 оборотах 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 соотношения скоростей 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 за счет снижения скорости с 2000 до 1000 об / мин.

На рис. 6, наконец, представлена ​​мощность, подаваемая на коленчатый вал от вала турбокомпрессора (положительное значение для работы турбины больше, чем для работы компрессора) плюс отношение радиусов впуска к выпускному в вариаторе. Мощность максимальная при высоких скоростях и нагрузках и минимальная при низких скоростях и средних и высоких нагрузках. Передаточное число CVT максимально при низких скоростях 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 (a) 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 высокий КПД преобразования топлива, превышающий 40%, на большей части графика нагрузки x скорости, отсутствие турбо-лага и снижение потерь тепла выхлопных газов.

Новинка 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 предлагаемый механизм передает или получает энергию непосредственно от или к коленчатому валу без какого-либо преобразования энергии. В MGU-H в стиле F1 турбонагнетатель передает или получает энергию от накопителя энергии, батареи, с преобразованием механической энергии в электрическую, а затем в химическую, 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, доступную в конечном итоге коленчатому валу, 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 при восстановлении баланса энергии или в 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 сжиганием, 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, в течение 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 снизить склонность к детонации и ограничить потери тепла 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

2

система рекуперации энергии 9046

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] Van Dyne, E.и Гендрон, Т.А., Компания Woodward Governor Company, 2009. Супер-турбонагнетатель. Патент США 7,490,594. Поиск в Google Scholar

[3] Чедвелл, К.Дж. и Уоллс, М., 2010. Анализ уменьшенного двигателя с наддувом с использованием 1-D моделирования CFD. Технический документ SAE № 2010-01-1231. Поиск в Google Scholar

[4] Райли, М.Б., ВанДайн, Э. и Браун, Дж. У., Vandyne Superturbo, Inc., 2015. Супер-турбонагнетатель с высокоскоростной тягой привод и бесступенчатая коробка передач. НАС.Патент 9, 217, 363. Поиск в Google Scholar

[5] Поиск в Google Scholar

[6] Кросс, Д. и Брокбанк, К., 2009. Механическая гибридная система, состоящая из маховика и вариатора для автоспорта и основной автомобильной промышленности. заявки, технический документ SAE № 2009-01-1312. 10.4271 / 2009-01-1312Поиск в Google Scholar

[7] Искать в Google Scholar

[8] Boretti, A., 2017. MGU-H в стиле F1 применяется к турбокомпрессору бензинового гибридного электрического легкового автомобиля, Nonlinear Engineering , 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 Искать в Google Scholar

[10] Искать в Google Scholar

[11] Искать в Google Scholar

[12] Boretti А., 2010, Сравнение топливной экономичности высокоэффективных дизельных и водородных двигателей, приводящих в движение компактный автомобиль с системами рекуперации кинетической энергии на основе маховика, International Journal of Hydrogen Energy 35 (16): 8417–8424.10.1016 / j.ijhydene.2010.05.031Поиск в Google Scholar

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

[14] Boretti, A. (2011), Стехиометрические измерения с впрыском воды, International Journal of Hydrogen Energy 36: 4469–4473.10.1016 / j.ijhydene.2010.11.117 Искать в Google Scholar

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

[16] Боретти, А. (2013), Впрыск воды в двигатели с искровым зажиганием с прямым впрыском, с турбонаддувом, Прикладная теплотехника, 52 (1): 62–68.10.1016 / j.applthermaleng.2012.11.016Поиск в Google Scholar

[17] Gamma Technologies LLC, «GT-SUITE Publications». , 2015 (по состоянию на 15 октября 2015 г.). Искать в Google Scholar

Исследование эксплуатационных характеристик дизельных двигателей старого поколения, оснащенных турбокомпрессорами

Как это работает: турбонаддув | Вождение

Breadcrumb Trail Links

1. Как это работает
2. Feature Story

Этот компонент сжимает воздух, поступающий в ваш двигатель, для увеличения мощности, но это снижает расход топлива

Автор статьи:

Publishing дата:

Содержание статьи

Раньше были турбокомпрессоры в основном использовались на высокопроизводительных спортивных автомобилях.Они по-прежнему дают быстрым автомобилям дополнительный прирост мощности, но автопроизводители все чаще используют их на двигателях меньшего размера для увеличения мощности, когда это необходимо, но с лучшей общей экономией топлива. Они также используются практически во всех дизельных двигателях для увеличения мощности.

Объявление

Это объявление еще не загружено, но ваша статья продолжается ниже.

Содержание статьи

Турбокомпрессор — это, по сути, воздушный насос, нагнетающий дополнительный кислород в двигатель по мере необходимости, чтобы он мог сжигать больше топлива для получения большей мощности.

Двигатели содержат поршни, которые перемещаются вверх и вниз в цилиндрах. Они вращают тяжелый центральный коленчатый вал так же, как ваши ноги двигаются вверх и вниз, чтобы привести в движение велосипед. Вращение коленчатого вала используется для поворота колес автомобиля.

Все это движется паром воздуха и бензина в верхней части поршня. Когда он воспламеняется свечой зажигания, сила сгорания толкает поршень вниз, чтобы повернуть кривошип.Сгоревшие газы затем удаляются как выхлопные газы.

Каждый поршень скользит вниз в начале своего цикла, создавая вакуум. В двигатель без турбонаддува, известный как безнаддувный, воздух врывается внутрь при открытии впускного клапана, но он может заполнить цилиндр только при атмосферном давлении. Сжигание большего количества топлива дает больше мощности, но поскольку смесь топлива и воздуха должна быть точной для правильной работы двигателя, добавление большего количества бензина не сработает, и цилиндр не сможет втянуть лишний воздух.

Объявление

Это объявление еще не загружено, но ваша статья продолжается ниже.

Содержание статьи

В двигателе с турбонаддувом турбонагнетатель нагнетает больший объем воздуха под давлением, и компьютер транспортного средства реагирует, добавляя правильное количество дополнительного топлива.

Турбина приводится в движение выхлопными газами. Одна сторона турбонагнетателя расположена у выпускного коллектора, другая — у воздухозаборника двигателя, и он содержит два небольших вентилятора, соединенных валом. Когда выхлоп проходит через турбонагнетатель, он вращает один вентилятор, называемый турбиной. Это, в свою очередь, вращает второй вентилятор, называемый компрессором, который всасывает свежий воздух, нагнетает его и нагнетает в двигатель.Разница между атмосферным давлением и давлением воздуха, обеспечиваемым турбонаддувом, называется наддувом и измеряется в фунтах на квадратный дюйм (psi).

Вместо турбонагнетателя в некоторых транспортных средствах используется нагнетатель, который также нагнетает воздух, но механически работает от коленчатого вала двигателя, а не от выхлопных газов.

Объявление

Это объявление еще не загружено, но ваша статья продолжается ниже.

Содержание статьи

Одна из проблем с турбонаддувом заключается в том, что воздух нагревается при сжатии, а это противоположно тому, что вы хотите. Холодный воздух более насыщен кислородом, поэтому его можно смешивать с большим количеством топлива и при этом правильно сгорать в цилиндре. Автопроизводители добавляют к турбо-системе теплообменник, называемый промежуточным охладителем, который поглощает тепло и снижает температуру воздуха, поступающего в цилиндры двигателя.

Вентиляторы турбонагнетателя вращаются очень быстро — до 250 000 оборотов в минуту или больше — и существует вероятность слишком высокого давления в двигателе при максимальной нагрузке.В этом случае открывается клапан, называемый перепускным клапаном, который отводит часть выхлопных газов от турбины.

Турбокомпрессор не нагнетает двигатель постоянно. Если вы едете умеренно, достаточно воздуха, всасываемого при атмосферном давлении, и двигатель работает как безнаддувный. Когда вы нажимаете на дроссельную заслонку, двигатель работает сильнее и создает большее давление выхлопных газов. Это раскручивает турбокомпрессор, который, в свою очередь, увеличивает мощность двигателя, который, в свою очередь, получает больше топлива — вот почему эти малолитражные двигатели могут внезапно стать намного более жаждущими, чем ожидалось, когда вы их сильно водите.(Положительным моментом является то, что дополнительный кислород имеет тенденцию более полно сжигать топливо в цилиндре, повышая эффективность двигателя и сокращая вредные выбросы.)

Реклама

Это объявление еще не загружено, но ваша статья продолжается ниже.

Содержание статьи

Турбокомпрессор также создает головную боль инженерам, потому что он не сразу выходит на полную мощность. Существует небольшая задержка между моментом, когда вы опускаете ногу, и тем, когда турбокомпрессор набирает скорость, достаточную для обеспечения наддува и желаемого ускорения.Это известно как турбо-задержка.

Раньше он был гораздо более заметным в старых автомобилях, но сегодня автопроизводители используют другие методы, чтобы уменьшить его. Используются легкие лопатки турбины, поэтому для их вращения требуется меньшее давление. Турбокомпрессоры меньшего размера раскручиваются быстрее, и некоторые автопроизводители устанавливают два из них на двигатель, комбинируя маленький для быстрого начального наддува с более крупным, который может обеспечить большую мощность при более высоких оборотах двигателя. Несколько автопроизводителей, включая Volvo, для достижения этой цели используют в двигателе как нагнетатель с механическим приводом, так и турбонагнетатель с приводом от выхлопных газов.

Объявление

Это объявление еще не загружено, но ваша статья продолжается ниже.

Содержание статьи

Еще одна технология — это изменяемая геометрия, которая автоматически регулирует поток выхлопных газов в турбинное колесо в зависимости от частоты вращения двигателя и требований к мощности.

Двигатели с турбонаддувом, как правило, не требуют какого-либо дополнительного обслуживания, кроме рекомендованной замены масла в автомобиле и замены свечей зажигания.Некоторые более новые двигатели с турбонаддувом отлично работают на бензине обычного качества, но проверьте руководство пользователя на предмет любых требований к бензину премиум-класса.

Большинство автопроизводителей просто говорят «с турбонаддувом», но некоторые используют собственные названия, такие как Audi TFSI (для стратифицированного впрыска топлива с турбонаддувом) или Ford EcoBoost. Если вы не уверены, перед покупкой спросите, турбовый ли это.

Поделитесь этой статьей в своей социальной сети

Подпишитесь, чтобы получать информационный бюллетень Driving.ca Blind-Spot Monitor по средам и субботам

Спасибо за регистрацию!

Приветственное письмо уже готово. Если вы его не видите, проверьте папку нежелательной почты.

Следующий выпуск «Монитора слепых зон» Driving.ca скоро будет в вашем почтовом ящике.

Мы столкнулись с проблемой при регистрации. Пожалуйста, попробуйте еще раз

Комментарии

Postmedia стремится поддерживать живой, но гражданский форум для обсуждения и поощрять всех читателей делиться своим мнением о наших статьях.На модерацию комментариев может потребоваться до часа, прежде чем они появятся на сайте. Мы просим вас, чтобы ваши комментарии были актуальными и уважительными. Мы включили уведомления по электронной почте — теперь вы получите электронное письмо, если получите ответ на свой комментарий, есть обновление в цепочке комментариев, на которую вы подписаны, или если пользователь, на которого вы подписаны, следит за комментариями. Посетите наши Принципы сообщества для получения дополнительной информации и подробностей о том, как изменить настройки электронной почты.

Турбокомпрессор: определение, функции, детали, типы, работа

Слышали ли вы о высокомощном вводном устройстве в двигателе внутреннего сгорания, ну секрет в турбокомпрессоре .Он также известен как turbo , который был изобретен в начале двадцатого века инженером из Швейцарии Альфредом Бучи. Он представил прототип для увеличения мощности дизельных двигателей.

Сегодня турбонаддув стал стандартным устройством для большинства бензиновых и дизельных двигателей. Все еще продолжаются исследования способов улучшения конструкции турбокомпрессоров для повышения производительности при более низких производственных затратах. Несмотря на то, что напряжения, вызванные вибрацией, и характеристики подшипников являются основными факторами отказа.По этой причине ротодинамический анализ должен быть важной частью процесса проектирования турбокомпрессора, ну, может быть!

В автомобильном двигателе мощность вырабатывается в камере сгорания при всасывании топливно-воздушной смеси, верно! После сжатия он выпускает смесь в виде выхлопных газов, которые становятся отходами и даже вызывают загрязнение атмосферы. Но вместо того, чтобы использовать выхлопные газы, турбокомпрессор использует их для ускорения работы двигателя. Позволь мне объяснить.

Прочтите Все, что вам нужно знать об автомобильных поршнях

Сегодня мы рассмотрим определение, функции, области применения, детали, историю, диаграмму, типы, принцип работы, а также преимущества и недостатки турбокомпрессора. Это обширная статья, поэтому я призываю вас ее прочитать, чтобы получить знания.

Турбокомпрессор — это силовое индукционное устройство с приводом от турбины, которое увеличивает эффективность и выходную мощность двигателей внутреннего сгорания за счет нагнетания дополнительного сжатого воздуха в камеру сгорания.Такое нагнетание горячего воздуха, кажется, работает, потому что компрессор может нагнетать больше воздуха и пропорционально больше топлива в камеру сгорания, чем при нормальном атмосферном давлении.

Турбокомпрессор — это устройство, устанавливаемое на двигатель транспортного средства с целью повышения общей эффективности и увеличения производительности двигателя. Турбонагнетатели первоначально назывались турбокомпрессорами , потому что все устройства с принудительной индукцией классифицируются как нагнетатели. Нагнетатель — это термин для устройства принудительной индукции с механическим приводом.

Разница между турбонагнетателем и обычным нагнетателем заключается в том, что турбонагнетатель приводится в действие турбиной, приводимой в действие выхлопными газами двигателя. В то время как нагнетатель механически приводится в движение коленчатым валом двигателя, часто соединенным ремнем. Однако турбокомпрессоры более эффективны, но менее отзывчивы. Термин Twin-Charger относится к двигателю с турбонагнетателем и нагнетателем.

Прочтите, что вы должны знать о шатуне

Краткая история турбокомпрессоров, заслуга основателя Альфреда Дж. Бучи (1879-1932), который работал в автомобильной инженерной мастерской компании Gebruder Sulzer Engine в Винтертуре, Швейцария.Проект был разработан за год до Первой мировой войны и был запатентован в Германии в 1905 году. Спустя четыре десятилетия он продолжал совершенствовать проект до своей смерти.

Некоторые другие инженеры также заслуживают похвалы за проект турбокомпрессора. Несколькими годами ранее сэр Дугалд Кларк (1854-1932) был шотландским изобретателем двухтактного двигателя. он экспериментировал с разделением ступеней сжатия и расширения внутреннего сгорания с помощью двух отдельных цилиндров.

Его эксперимент работал как наддув, увеличивая как поток воздуха в цилиндры, так и количество топлива, которое можно было сжечь.Другие инженеры, такие как Луи Рено, Готлиб Даймлер и Ли Чедвик, также принимают участие в создании систем наддува.

Основная функция турбокомпрессора — повысить эффективность работы автомобильного двигателя. ниже приведены причины, по которым турбо будет существовать всегда, несмотря на некоторые его ограничения.

• Обеспечивается дополнительная мощность без увеличения объема двигателя.
• Сделать двигатель быстрее без увеличения скорости горения топлива.
• Используйте оксид углерода II (выхлопные газы) вместо загрязнения окружающей среды.

Турбокомпрессор обычно используется в автомобильных двигателях, таких как грузовики, легковые автомобили, поезда, самолеты и строительное оборудование. современные выпуски двигателей внутреннего сгорания с циклом Отто и дизельного цикла оснащены турбонагнетателями.

Позвольте погрузиться в объяснение некоторых применений турбокомпрессоров:

Автомобили с бензиновым и дизельным двигателем: Как упоминалось ранее, автомобили с турбонаддувом часто используются среди автомобилей с бензиновым и дизельным двигателем, чтобы увеличить их выходную мощность для заданной мощности.Это также увеличивает топливную экономичность, позволяя использовать двигатель меньшего объема. Эти двигатели похудели примерно на 10% и сэкономили до 30% топлива, при этом обеспечивая ту же максимальную мощность.

Первым легковым автомобилем с турбонаддувом была версия Oldsmobile Jetfire. Он использует компонент 215 у.е. во всех алюминиевых двигателях V8 и в продукте Chevrolet, называемом Corvairs. Первоначально он получил название Monza Spyder с плоским шестицилиндровым двигателем с охлаждением.

Дизельные автомобили в значительной степени полагаются на турбокомпрессор, поскольку в них используются улучшенные эффективность, управляемость и производительность дизельных двигателей.Производился на легковой машине Mercedes-Benz 1978 года выпуска с турбонаддувом Garrett.

Грузовые автомобили: С той же целью дизельные двигатели грузовых автомобилей оснащаются турбонаддувом с 1938 года.

Самолет: В течение года действие турбонагнетателя также увеличивает эффективность самолетов.

Мотоциклы: Большинство японских компаний производили высокопроизводительные мотоциклы с турбонаддувом с начала 1980-х годов. Хотя существует немного мотоциклов с турбонаддувом, это связано с большим объемом двигателя.Доступен безнаддувный двигатель, который предлагает преимущества по крутящему моменту и мощности по сравнению с двигателем меньшего объема с турбонаддувом, но обеспечивает более линейные характеристики мощности.

Прочтите: Компоненты двигателя внутреннего сгорания

Ниже представлены основные части турбокомпрессора и их функции:

• Картриджи (полностью собранные и сбалансированные сердечники турбокомпрессора)
• Вакуумные приводы и пневмоприводы
• Электроприводы (электрические сервоприводы)
• Корпуса компрессоров (корпуса холодной секции / детали турбокомпрессора)
• Ремкомплекты турбокомпрессора (комплекты запчастей для быстрого мелкого ремонта)
• Колеса компрессора (колеса компрессора турбокомпрессора)
• Вал и колеса (валы турбонагнетателя с турбинным колесом, роторы турбин)
• Корпуса форсунок (корпуса для элементов управления геометрией VNT)
• Корпуса подшипников (корпуса картриджей, корпуса турбонагнетателя)
• Задние пластины (пластина сердечников турбокомпрессора со стороны компрессора)
• Кольца форсунки ВНТ (Кольца с форсунками для турбонагнетателей ВНТ, узлов контроля геометрии ВНТ)
• Теплозащитные экраны (тепловые экраны сердечника турбокомпрессора)
• Комплекты прокладок (комплекты / комплекты прокладок турбокомпрессора)
• Датчики исполнительных механизмов (датчики давления, датчики положения
• Прокладки VNT (внутренние прокладки для турбокомпрессоров VNT)
• Кожухи турбины (кожухи горячей секции / детали турбокомпрессора)
• Детали исполнительных механизмов электронные (электродвигатели, валы, шестерни сервоприводов турбонагнетателей).

Ниже представлены различные типы существующих турбонагнетателей:

Одинарный турбонагнетатель — это самый простой, самый распространенный и дешевый тип турбонагнетателя из существующих. Он имеет безграничную вариативность и, будучи меньшим турбонагнетателем, обеспечивает лучшее хрюканье на низких частотах, поскольку они наматываются быстрее. Одиночный турбонагнетатель имеет шарикоподшипник и опорный подшипник, которые обеспечивают меньшее трение для вращения компрессора и турбины.

Преимущества одиночных турбонагнетателей заключаются в том, что меньшие двигатели также могут иметь турбонаддув, экономичность, простоту и простоту установки. Это также увеличивает эффективность двигателя.

Некоторые ограничения все еще существуют, несмотря на его преимущества, которые включают: имея довольно узкий эффективный диапазон оборотов. Одиночные турбины делают выбор размера проблемой, так как нужно выбирать между лучшей мощностью на высоких оборотах или хорошим крутящим моментом на низких оборотах. Наконец, реакция может быть медленной по сравнению с другими типами турбо.

Твин-турбо — еще один вариант, позволяющий использовать один турбонагнетатель для каждого ряда цилиндров (v8, v12 и т. Д.). В качестве альтернативы можно использовать один турбонагнетатель для низких оборотов и байпас к более крупному турбокомпрессору для высоких оборотов. Две турбины одинакового размера, одна из которых используется на низких оборотах, а обе — на высоких (14, 16). В BMW x5 M и x6 M используются турбины с двойной прокруткой, по одной с каждой стороны от v8.

Преимущество твин-турбо в последовательном или турбо-режиме на низких оборотах и ​​в обоих режимах на высоких оборотах.Он обеспечивает более широкую, более пологую кривую крутящего момента, лучший крутящий момент на низких частотах, но мощность не снижается на высоких оборотах, как у одиночного турбонагнетателя. Ограничения этих турбокомпрессоров включают стоимость и сложность, поскольку компонент почти удвоен. И есть другие альтернативы для достижения аналогичного, более легкого результата.

Прочтите: Разница между бензиновым и дизельным двигателем

Практически во всех отношениях турбокомпрессоры с двойной спиралью лучше, чем турбины с одной спиралью, потому что при использовании двух спиралей импульсы выхлопа разделяются.Например, в четырехцилиндровых двигателях с порядком включения 1 3 4 2 цилиндры 1 и 4 могут подаваться на одну спираль турбонагнетателя. При этом цилиндры 2 и 3 подаются на отдельную спираль. Назначение этих типов турбонагнетателя состоит в том, чтобы в цилиндре было перекрытие. Допустим, цилиндр заканчивает рабочий ход, когда поршень достигает нижней мертвой точки, и выпускной клапан открывается. В это время второй цилиндр заканчивает свой такт выпуска, закрывая клапан и открывая впускной клапан.

Традиционный турбо-коллектор с одной спиралью сильно отличается, давление выхлопных газов из первого цилиндра будет мешать втягиванию свежего воздуха из второго цилиндра из-за того, что оба выпускных клапана временно открыты.Это снижает давление, достигнутое турбонаддувом, и снижает количество втягиваемого воздуха вторым цилиндром.

Преимущества турбонагнетателя заключаются в том, что в выхлопную турбину передается больше энергии и достигается более широкий диапазон оборотов для эффективного наддува. Это связано с разным дизайном прокрутки. Как правило, перекрытие клапанов больше, но это не мешает продувке выхлопных газов, что обеспечивает большую гибкость настройки.

Ограничения состоят в том, что стоимость и сложность высоки по сравнению с одиночными турбинами, и это требует особой компоновки двигателя и конструкции выхлопа.

Типы турбокомпрессоров с изменяемой геометрией распространены в дизельных двигателях, и их производство ограничено. Это связано с его стоимостью и экзотическими требованиями к материалам. Внутренние лопатки внутри турбонагнетателя изменяют соотношение A / R площади к радиусу в соответствии с оборотами в минуту. То есть при низких оборотах используется низкое соотношение A / R для увеличения скорости выхлопных газов и быстрого раскрутки турбокомпрессора. Если число оборотов увеличивается, соотношение A / R увеличивается, чтобы увеличить воздушный поток, что приводит к низкой турбо-задержке.Это также приводит к низкому порогу наддува и широкому и плавному диапазону крутящего момента.

Преимущества этого типа турбонаддува заключаются в том, что получается широкая плоская кривая крутящего момента. Что эффективно в очень широком диапазоне оборотов. Для этого требуется один турбо, что упрощает последовательную турбо-установку до чего-то более компактного. Его ограничения заключаются в том, что он используется только в дизельных двигателях, где выхлопные газы ниже, поэтому лопатки не будут повреждены головкой. При использовании турбонагнетателя в бензиновом двигателе для обеспечения надежности будут использоваться дорогостоящие экзотические металлы.

Турбонагнетатель с регулируемой двойной спиралью значительно дешевле, чем VGT, что делает его предпочтительным выбором для бензиновых двигателей с турбонаддувом. Он сочетает в себе VGT с настройкой двойной прокрутки, таким образом, при малом обороте одна из прокруток полностью закрывается, выталкивая весь воздух в другую. Когда двигатель набирает обороты, открывается клапан, позволяя воздуху попадать в другую спираль, и достигаются хорошие высокие характеристики.

Преимущества турбонагнетателя в том, что он обеспечивает широкую плоскую кривую крутящего момента и более прочен по конструкции, чем VGT.Стоимость и сложность также являются его ограничениями, а технология раньше была нежелательной.

Благодаря применению электродвигателя в турбонагнетателе, он расширяет его характеристики и обеспечивает мгновенный наддув двигателя. Низкий крутящий момент достигается легко, задержка устраняется. Этот турбонагнетатель просто лучший из всех, возможно, новая версия его вырубит.

его преимущества заключаются в том, что обеспечивается более широкий эффективный диапазон оборотов при равномерном крутящем моменте во всем.Потраченная впустую энергия восстанавливается, поскольку электродвигатель подключается непосредственно к выхлопной турбине. И, как упоминалось ранее, турбо-задержку и недостаточное количество выхлопных газов можно практически устранить, вращая компрессор с помощью электроэнергии, когда это необходимо.

Сложность и стоимость — один из недостатков турбокомпрессора, так как теперь включен учет электродвигателя. Упаковка и вес также являются проблемой, особенно с добавлением встроенной батареи, которая при необходимости обеспечивает достаточную мощность для турбонаддува.Подобные преимущества могут быть получены от других типов, таких как VGT или двойные прокрутки.

Имея базовые знания о том, как работает реактивный двигатель, будет намного проще разобраться в автомобилях с турбонагнетателем. Позвольте мне объяснить, реактивный двигатель всасывает свежий воздух спереди и использует его в камере для смешивания и сжигания с топливом. Затем он выпускает через спину горячий воздух. Горячий рев проходит мимо турбины, сделанной из компактной металлической ветряной мельницы, которая приводит в действие компрессор (воздушный насос) в передней части двигателя.двигатель использует его, чтобы нагнетать воздух в двигатель, чтобы топливо сгорало должным образом.

Аналогичный процесс применяется к турбонагнетателю поршневого двигателя автомобиля. Выхлопные газы используются для привода турбины, которая вращает воздушный компрессор, который нагнетает дополнительный воздух в цилиндры. Это приводит к сжиганию большего количества топлива за секунду, поэтому автомобиль с турбонаддувом может производить больше мощности. Это больше энергии в секунду.

Турбокомпрессоры состоят из двух половин, соединенных валом. Один из них содержит турбину, вращающуюся горячими выхлопными газами, другой также содержит турбину, которая всасывает воздух и сжимает его в двигателе.Такое сжатие обеспечивает дополнительную мощность и эффективность двигателя. Чем больше воздуха поступает в камеру сгорания, тем больше топлива добавляется, что дает дополнительную мощность.

Обратите внимание, что сжатый воздух более горячий, менее плотный и поднимается над радиаторами. Этот горячий воздух менее эффективен для сжигания топлива. Из-за этого воздух, поступающий из компрессора, необходимо охладить перед поступлением в цилиндры. Вот почему горячий воздух от компрессора проходит через теплообменник, который отводит лишнее тепло, прежде чем он попадет в камеру сгорания.

Прочтите: Классификация двигателей внутреннего сгорания

Откуда берется дополнительная мощность и сколько можно получить

Большинство людей думают, что газотурбинный двигатель обеспечивает дополнительную мощность за счет выхлопных газов, но это не так. Выхлопной газ используется для привода компрессора, который передает воздух в камеру сгорания, позволяя двигателю сжигать больше топлива каждую секунду. Дополнительная мощность получается за счет дополнительного топлива, которое сжигается быстрее.

Количество дополнительной мощности турбонагнетателя зависит от размера его компонентов.Турбокомпрессоры можно улучшить, чтобы сделать двигатель более мощным, в зависимости от желаемой мощности. Но есть предел улучшения. Цилиндры настолько велики, что могут принимать много воздуха и топлива для смешивания.

Ниже приведены преимущества турбокомпрессоров:

• Двигатель получает дополнительную мощность.
• Бесплатная мощность двигателя передается с использованием отработанных выхлопных газов.для его движения не требуется мощность двигателя.
• Используется как в дизельных, так и в бензиновых двигателях.
• Повышение топливной экономичности двигателей.

Несмотря на преимущества турбонагнетателей, все же существуют два основных ограничения. Ниже приведены недостатки турбокомпрессора:

Одна из серьезных проблем с турбонагнетателем известна как турбо-лаг. Это произошло, когда дроссельная заслонка нажата, двигателю нужно время, чтобы разогнаться.То есть турбокомпрессорам нужно время, чтобы отразить частоту вращения двигателя.

Когда частота вращения двигателя низкая, выхлопных газов недостаточно для вращения компрессора и обеспечения необходимой мощности. Требуемый выхлоп будет создан после нажатия дроссельной заслонки. Этот эффект уменьшается при переключении с пониженной передачи на более низкую, но опытные водители иногда замечают раздельную задержку реакции.

Второе ограничение турбонагнетателей не встречается в повседневных условиях движения. Это происходит только тогда, когда двигатель работает на пределе возможностей.Тепло, выделяемое выхлопными газами, сильно нагревается и заставляет турбокомпрессор светиться красным.

Вот почему большинство спортивных автомобилей с турбонаддувом имеют вентиляционные отверстия на нижней стороне двигателя. Это вентиляционное отверстие поддерживает постоянную циркуляцию воздуха и охлаждает детали.