Принцип роботи турбіни на дизельному двигуні

  1. Про історію винаходу і впровадження турбонаддува
  2. Пристрій системи турбонаддува
  3. Як працює турбіна дизельного двигуна
  4. Необхідні доповнення до складу системи турбонаддува: клапани, інтеркулер
  5. Застосування турбонаддува в світовому машинобудуванні

Наддувши зобов'язаний свої появою горезвісної німецької дбайливості і практичності в усьому. Ще Рудольфу Дизелю і Готлибу Даймлеру, в кінці XIX століття, не давав спокою таке питання. Як же так: вихлопні гази просто так викидаються в трубу, а енергія, якою вони володіють, не приносить ніякої користі? Непорядок ... У столітті двадцять першому, двигуни, оснащені турбіною, давно перестали бути екзотикою і використовуються повсюдно, на самій різній техніці. Чому турбіни набули поширення насамперед на дизельних двигунах і який принцип роботи цих корисних агрегатів, розберемо далі - в строго науково-популярної, але наочної і зрозумілою кожному формі.

Про історію винаходу і впровадження турбонаддува

Отже, ідея «пустити в справу» енергію відпрацьованих вихлопних газів з'явилася вже незабаром після винаходу і успішних дослідів застосування двигунів внутрішнього згоряння. Німецькі інженери і першопрохідці автомобіле- і тракторобудування, на чолі з Дизелем і Даймлером, провели перші досліди з підвищення потужності двигуна і зниження витрати палива за допомогою нагнітання стисненого повітря від вихлопів.

Німецькі інженери і першопрохідці автомобіле- і тракторобудування, на чолі з Дизелем і Даймлером, провели перші досліди з підвищення потужності двигуна і зниження витрати палива за допомогою нагнітання стисненого повітря від вихлопів

Готдіб Даймлер випускав ось такі автомобілі, а вже замислювався про впровадження системи турбонаддува

Але першим, хто побудував перший ефективно працюючий турбокомпресор, стали не вони, а інший інженер - Альфред Бюхи. У 1911 році він отримав патент на свій винахід. Перші турбіни були такі, що використовувати їх було можливо і доцільно тільки на великих двигунах (наприклад, суднових).

Далі турбокомпресори почали використовуватися в авіаційній промисловості. Починаючи з 30-х років ХХ століття, в Сполучених Штатах регулярно запускалися в «серію» військові літаки (як винищувачі, так і бомбардувальники), бензинові двигуни яких були оснащені турбонагнітачами. А перша в історії вантажна автомашина з турбованим дизельним мотором була зроблена в 1938 році.

У 60-ті роки корпорація «Дженерал Моторс» випустила перші легкові «Шевроле» і «Олдсмобіл» з бензиновими карбюраторними двигунами, оснащеними турбонаддувом. Надійність тих турбін була невелика, і вони швидко зникли з ринку.

Oldsmobile Jetfire 1962 року - перший серійний автомобіль з турбонаддувом

Мода на турбовані мотори повернулася на рубежі 70-х / 80-х, коли турбонаддув почали широко використовувати у створенні спортивних і гоночних автомобілів. Приставка «турбо» стала надзвичайно популярною і перетворилася на своєрідний лейбл. У голлівудських фільмах тих років супергерої натискали на панелях своїх суперкарів «магічні» кнопки «турбо», і машина неслася вдалину. У реальному ж дійсності турбокомпресори тих років відчутно «гальмували», видаючи істотну затримку реакції. І, до речі, не тільки не сприяли економії палива, а навпаки, збільшували його витрата.

Перші дійсно успішні спроби впровадження турбонаддува в виробництво автомобільних двигунів серійного виробництва здійснили на початку 80-х років «SAAB» і «Mercedes». Цим передовим досвідом не забарилися скористатися і інші світові машинобудівні компанії.

У Радянському Союзі розробка і впровадження в «серію» турбированних двигунів була пов'язана, перш за все, з розвитком виробництва важких промислових і сільськогосподарських тракторів - «ЧТЗ» , «Кіровець»; суперсамосвалов «БелАЗ» і т.п. потужної техніки.

Чому в підсумку турбіни набули поширення саме на дизельних, а не бензинових двигунах? Тому що дизельні мотори мають набагато більшу ступінь стиснення повітря, а їх вихлопні гази - нижчу температуру. Відповідно, вимоги до жароміцності турбіни набагато менше, а її вартість і ефективність використання - набагато більше.

Пристрій системи турбонаддува

Система турбонаддува складається з двох частин: з турбіни і турбокомпресора. Турбіна служить для перетворення енергії відпрацьованих газів, а компресор - безпосередньо для подачі багаторазово стисненого атмосферного повітря в робочі порожнини циліндрів. Головні деталі системи - два лопатевих колеса, турбінне і компресорне (так звані «крильчатки»). Турбокомпресор являє собою технологічний насос для повітря, що приводиться в дію обертанням ротора турбіни. Єдина його завдання - нагнітання стисненого повітря в циліндри під тиском.

Чим більше повітря надійде в камеру згоряння, тим більша кількість солярки дизель зможе спалити за конкретну одиницю часу. Результат - істотне збільшення потужності мотора, без необхідності нарощування обсягу його циліндрів.

Складові частини пристрою турбонаддува:

  • корпус компресора;
  • компрессорное колесо;
  • вал ротора, або вісь;
  • корпус турбіни;
  • турбінне колесо;
  • корпус підшипників.

Основа системи турбонаддува - це ротор, закріплений на спеціальній осі і ув'язнений в особливий жароміцний корпус. Безперервний контакт всіх складових частин турбіни з надзвичайно розпеченими газами визначає необхідність створення як ротора, так і корпусу турбіни зі спеціальних жароміцних металлосплавов.

Крильчатка і вісь турбіни обертаються з дуже високою частотою і в протилежних напрямках. Це забезпечує щільний притиск одного елемента до іншого. Потік відпрацьованих газів проникає спочатку в випускний колектор, звідки потрапляє в спеціальний канал, що розташований в корпусі турбо-нагнітача. Форма його корпуса нагадує панцир равлика. Після проходження цієї «равлики» відпрацьовані гази з розгоном подаються на ротор. Так і забезпечується поступальний обертання турбіни.

Ось турбонагнетателя закріплена на спеціальних підшипниках ковзання; мастило здійснюється подачею масла з системи мастила моторного відсіку. Ущільнювальні кільця і ​​прокладки перешкоджають витокам масла, а також проривів повітря і відпрацьованих газів, а також їх змішування. Звичайно, повністю виключити потрапляння вихлопу в стислий атмосферне повітря не вдається, але в цьому і немає великої необхідності ...

Як працює турбіна дизельного двигуна

Потужність будь-якого двигуна і продуктивність його роботи залежить від цілого ряду причин. А саме: від робочого об'єму циліндрів, від кількості що подається повітряно-паливної суміші, від ефективності її згоряння, а також від енергетичної частини палива. Потужність двигуна зростає пропорційно зростанню кількості палива, що спалюється в ньому за певну одиницю часу пального. Але для прискорення згоряння палива необхідно збільшення запасу стисненого повітря в робочих порожнинах двигуна.

Тобто, чим більше за одиницю часу спалюється пального, тим більша кількість повітря буде потрібно «впихнути» в мотор (не дуже гарне слово «впихнути» тут, проте, дуже добре підходить, оскільки сам мотор не впорається з забором надмірної кількості стисненого повітря , і фільтри нульового опору в цьому йому не допоможуть).

Тобто, чим більше за одиницю часу спалюється пального, тим більша кількість повітря буде потрібно «впихнути» в мотор (не дуже гарне слово «впихнути» тут, проте, дуже добре підходить, оскільки сам мотор не впорається з забором надмірної кількості стисненого повітря , і фільтри нульового опору в цьому йому не допоможуть)

У цьому, повторимося, і полягає основна призначення турбонаддува - в нарощуванні подачі повітряно-паливної суміші в камери згоряння. Це забезпечується нагнітанням стисненого повітря в циліндри, яке відбувається під постійним тиском. Воно відбувається внаслідок перетворення енергії відпрацьованих газів, простіше кажучи, з низькою і втраченої - в корисну. Для цього, перш ніж вихлопні гази повинні бути виведені в вихлопну трубу, а далі і, відповідно, в атмосферу, їх потік прямує через систему турбокомпресора.

Цей процес забезпечує розкручування колеса турбіни ( «крильчатки»), забезпеченого спеціальними лопатями, до 100-150ті тисяч обертів на хвилину. На одному валу з крильчаткою закріплені і лопаті компресора, які нагнітають стиснене повітря в циліндри двигуна. Отримана від перетворення енергії вихлопних газів сила використовується для значного збільшення тиску повітря. Завдяки чому і з'являється можливість впорскування в робочі порожнини циліндрів набагато більшої кількості палива за фіксований час. Це дає значне збільшення як потужності, так і ККД дизеля.

Це дає значне збільшення як потужності, так і ККД дизеля

Дизельна турбіна в розрізі

Простіше кажучи, Турбосістеми містить дві лопатевих «крильчатки», закріплених на одному загальному валу. Але знаходяться при цьому в окремих камерах, герметично відокремлених один від одного. Одна з крильчаток змушена обертатися від постійно надходять на її лопаті вихлопних газів двигуна. Оскільки друга крильчатка з нею жорстко пов'язана, то і вона також починає обертатися, захоплюючи при цьому атмосферне повітря і подаючи його в стислому вигляді в циліндри двигуна.

Необхідні доповнення до складу системи турбонаддува: клапани, інтеркулер

Не один десяток років знадобився інженерам, щоб створити дійсно ефективно працює турбокомпресор. Адже це тільки в теорії все виглядає гладко: від перетворення енергії відпрацьованих газів можна «повернути» загублений відсоток ККД і значно збільшити потужність двигуна (наприклад, зі ста до ста шістдесяти кінських сил). Але на практиці подібного чомусь не виходило.

Крім того, при різкому натисканні на акселератор доводилося чекати збільшення оборотів мотора. Воно відбувалося тільки через деяку паузу. Зростання тиску вихлопних газів, розкрутка турбіни і загонками стисненого повітря відбувалися не відразу, а поступово. Дане явище, іменоване «turbolag» ( «турбояма») ніяк не вдавалося приборкати. А впоратися з ним вийшло, застосувавши два додаткових клапана: один - для перепуску зайвого повітря в компресор через трубопровід з рухового колектора. А інший клапан - для відпрацьованих газів. Та й в цілому, сучасні турбіни із змінною геометрією лопаток навіть своєю формою вже значно відрізняються від класичних турбін другої половини ХХ століття.

Дизельний турбокомпресор «Бош»

Інша проблема, яку довелося вирішувати при розвитку технологій дизельних турбін, полягала в надлишкової детонації. Детонація ця виникала через різке збільшення температури в робочих порожнинах циліндрів при нагнітанні туди додаткових мас стисненого повітря, особливо на завершальній стадії такту. Вирішувати цю проблему в системі покликаний проміжний охолоджувач наддувочного повітря (інтеркулер).

Интеркулер - це не що інше, як радіатор для охолодження наддувочного повітря. Крім зниження детонації, він знижує температуру повітря ще й для того, щоб не знижувати його щільність. А це неминуче під час процесу нагріву від стиснення, і від цього ефективність всієї системи в значній мірі падає.

Крім того, сучасна система турбонаддува двигуна не обходиться без:

  • регулювального клапана (wastegate). Він служить для підтримки оптимального тиску в системі, і для його скидання, при необхідності, в приймальню трубу;
  • перепускного клапана (bypass-valve). Його призначення - відведення наддувочного повітря назад у впускні патрубки до турбіни, якщо потрібно знизити потужність і дросельна заслінка закривається;
  • і / або «стравлювати» клапана (blow-off-valve). Яке підбурює надувного повітря в атмосферу в тому випадку, якщо дросель закривається і датчик масової витрати повітря відсутній;
  • випускного колектора, сумісного з турбокомпресором;
  • герметичних патрубків: повітряних для подачі повітря під впуск, і масляних - для охолодження і мастила турбокомпресора.

Застосування турбонаддува в світовому машинобудуванні

На дворі двадцять перше століття, і ніхто вже не женеться за тим, щоб назва його легкового автомобіля було з модною в столітті ХХ-му приставкою «турбо». Ніхто і не вірить більше в «магічну силу турбіни» для різкого прискорення автомобіля. Сенс застосування і ефективність роботи системи турбонаддува все-таки не в цьому.

Сенс застосування і ефективність роботи системи турбонаддува все-таки не в цьому

Ось це «равлик»!

Зрозуміло, найбільш ефективний турбонаддув при його використанні на двигунах тракторів і важких вантажівок. Він дозволяє додати потужності і крутного моменту без виникнення перевитрати палива, що дуже важливо для економічних показників експлуатації техніки. Там він і використовується. Знайшли своє широке застосування Турбосістеми також на тепловозних і суднових дизелях. І це найбільш потужні з створених людиною турбін для дизельного двигуна.

Як же так: вихлопні гази просто так викидаються в трубу, а енергія, якою вони володіють, не приносить ніякої користі?
Чому в підсумку турбіни набули поширення саме на дизельних, а не бензинових двигунах?
© 2008 — 2012 offroad.net.ua . All rights reserved. by nucleart.net 2008