1 ≫
-
Турбокомпрессор (turbocharger) обеспечивает повышение давления во впускной системе за счет использования энергии отработавших газов. В результате его работы увеличивается масса воздуха в камерах сгорания. Турбокомпрессор является более эффективным устройством наддува в сравнении с механическим нагнетателем, т.к. не использует мощность двигателя для привода.
Но использование турбокомпрессора все же приводит к определенным потерям мощности. Находясь в выпускном тракте, турбокомпрессор создает препятствие для движения отработавших газов из цилиндров. Создаваемое противодавление заставляет двигатель выполнять большую работы по очистке цилиндров от продуктов сгорания, соответственно тратить на это мощность. Но в сравнении с приростом мощности от применения турбокомпрессора на 30-40%, данные потери незначительны.
Основная проблема применения турбокомпрессора заключается в отставании изменения выходной мощности в ответ на изменение давления отработавших газов, т.н. турбозадержка или турбояма (turbolag). Основными причинами турбоямы являются инерционность, силы трения и нагрузки турбокомпрессора.
Турбокомпрессор состоит из трех основных элементов: турбины, центробежного компрессора и центрального корпуса. Турбина преобразует кинетическую энергию отработавших газов во вращательное движение компрессора. Она объединяет турбинное колесо, помещенное в корпус специальной формы – улитку.
Отработавшие газы поступают в корпус, двигаются по его каналу и направляются на лопатки турбинного колеса. Колесо раскручивается до высокой скорости (до 250000 об/мин). Колесо приварено к валу, который передает вращение на колесо компрессора. Проходя через лопасти турбинного колеса, отработавшие газы покидают турбину через центральное отверстие и отводятся в выпускную систему.
Турбина работает в условиях высокой температуры, поэтому ее элементы изготавливаются из жаропрочных материалов: турбинное колесо - из железоникелевого сплава, корпус – из стали.
Производительность турбокомпрессора во многом определяется размером и формой турбины. В общем виде, чем больше турбина, тем выше производительность компрессора. Большой турбокомпрессор воспринимает большее давление отработавших газов и соответственно обеспечивает больший прирост мощности. Но при низких оборотах двигателя в нем наиболее остро наблюдается турбозадержка. Маленький турбокомпрессор раскручивается до номинальной скорости значительно быстрее, но имеет меньшую производительность.
Для регулирования давления наддува в корпусе турбины устанавливается перепускной клапан (wastegate). Клапан имеет пневматический привод и регулируется системой управления двигателем.
Центральный корпус служит для размещения вала, позволяя ему вращаться с максимальной скоростью и минимальным трением. Вал вращается в одном или двух подшипниках. В качестве подшипников используются различные конструкции подшипников скольжения, реже – шарикоподшипники.
Смазка подшипников и вала производится системой смазки двигателя. Масло проходит через множество каналов между корпусом и подшипником, а также между подшипником и валом. Масло не только смазывает, но и охлаждает нагретые детали. В турбированных двигателях с искровым зажиганием центральный корпус включен в систему охлаждения двигателя, чем достигается лучшее охлаждение.
Центробежный компрессор непосредственно создает дополнительное давление во впускной системе. Конструкция его аналогична соответствующему механическому нагнетателю и включает корпус с компрессорным колесом. Движение воздуха в компрессоре осуществляется от центра колеса к периферии корпуса. Диффузор преобразует кинетическую энергию воздуха в давление за счет резкого снижения скорости потока. Сжатый воздух поступает через впускной коллектор в двигатель. Компрессорное колесо и корпус компрессора изготавливаются из алюминия.
Для снижения последствий турбозадержки, повышения производительности конструкция турбокомпрессора постоянно совершенствуется. Наиболее востребованными техническими решениями являются:
- снижение массы турбины за счет применения более легких и прочных материалов (керамика и др.);
- применение новых конструкций подшипников, обеспечивающих снижение потерь на трение;
- раздельный турбокомпрессор (twin-scroll);
- турбина с изменяемой геометрией (VNT-турбина).
Раздельный турбокомпрессор имеет два входа для отработавших газов и два сопла, рассчитанных на каждую пару цилиндров. Одно сопло предназначено для быстрого реагирования. Другое сопло обеспечивает максимальную производительность. Помимо высокой производительности конструкция турбокомпрессора с двойной улиткой разделяет выпускные каналы, предотвращая их перекрытие при выпуске отработавших газов.
Турбина с изменяемой геометрией (другое наименование – турбина с переменным соплом) широко используется в дизельных двигателях, например в двигателе TDI от Volkswagen. В турбокомпрессоре установлено девять подвижных лопастей для регулирования потока отработавших газов к турбине. Угол наклона лопастей регулируется приводом, который блокирует или увеличивает поток отработавших газов. Изменение положения лопастей позволяет согласовать скорость отработавших газов и давление нагнетаемого воздуха с оборотами двигателя.
В ряде конструкций турбонаддува используется несколько турбокомпрессоров: два (twin-turbo), три (triple-turbo) и даже четыре (quad-turbo). Турбокомпрессоры устанавливаются последовательно, при этом один работает при низких оборотах двигателя, другой – при высоких оборотах. На V-образных двигателях практикуется параллельная схема установки турбокомпрессоров (на каждый ряд по компрессору). Резон данной схемы – два небольших турбокомпрессора эффективнее одного большого.
Материалы: http://systemsauto.ru/vpusk/turbocharger.html
2 ≫
-
Турбокомпрессор работает под воздействием потока горячих отработавших газов, вращающих его ротор с частотой 150–230 тысяч об/мин. В этих условиях даже небольшое нарушение работы приводит к его повреждению.
Мощность, развиваемая поршневым двигателем внутреннего сгорания, зависит от наполнения цилиндров горючей смесью. С увеличением частоты вращения коленчатого вала мощность достигает максимальной величины 1 , а затем начинает падать. Это связано с тем, что с ростом скорости воздушного потока наполнение уменьшается из-за увеличения сопротивления впускного трубопровода. Для улучшения мощностных характеристик моторов используют наддув.
Наддув — нагнетание воздуха в цилиндры двигателя для увеличения их наполнения горючей смесью. Избыточное давление выше атмосферного получают с помощью различных нагнетателей (компрессоров), что позволяет повысить мощность мотора 2 при тех же габаритах и массе. Компрессоры с механическим приводом от коленчатого вала двигателя требуют дополнительных затрат топлива и имеют ограниченное применение.
Турбокомпрессоры приводятся в действие неиспользуемой энергией отработавших газов. Они получили в настоящее время наибольшее распространение, так как не требуют дополнительного расхода топлива в отличие от компрессоров с механическим приводом. Турбокомпрессоры, как правило, снабжаются охладителем.
Охладитель наддувочного воздуха устанавливается на выходе из турбокомпрессора для уменьшения температуры горючей смеси и увеличения ее плотности. При этом повышается наполнение цилиндров, снижается тепловая нагрузка на детали двигателя и уменьшается содержание окислов азота в отработавших газах 3 .
Устройство турбокомпрессора включает в себя три основные части — корпус турбины, корпус подшипников с ротором в сборе и корпус компрессора.
1 — Корпус подшипников;
2 — Турбинное колесо;
3 — Перепускной клапан;
4 — Корпус турбины;
5 — Масляные каналы;
7 — подшипник скольжения;
8 — компрессорное колесо;
9 — корпус компрессора;
10 — пневмопривод перепускного клапана
- Корпуса турбины и компрессора в обиходе называют “улитки”. Турбинный корпус связан с выпускным, а компрессорный — с впускным трубопроводами.
Ограничение давления наддува осуществляют с целью защитить двигатель от перегрузки.
Перепускной клапан, управляемый пневматическим приводом, при определенной величине давления наддува направляет часть отработавших газов в обход турбины.
Поворотные лопатки, установленные в корпусе турбины некоторых компрессоров, позволяют изменять ее проходное сечение и соответственно давление наддува.
1 — турбинное колесо
2 — поворотные лопатки
Работа турбокомпрессора происходит под воздействием потока отработавших газов, вращающих турбинное колесо и вал ротора. Установленное на том же валу компрессорное колесо нагнетает воздух во впускной трубопровод. На некоторых режимах работы мотора проявляют себя особенности турбонаддува.
"Турбояма” (турболаг)” — задержка увеличения оборотов и мощности двигателя при резком нажатии на педаль акселератора (“газа”). Эффект связан с инерционностью системы — требуется время, чтобы ускорившийся поток выхлопных газов раскрутил турбину. Основной способ устранения — снижение размеров и массы вращающихся деталей для облегчения их быстрого раскручивания. Однако это ведет к снижению производительности турбокомпрессора и для сохранения необходимого давления наддува приходится увеличивать частоту вращения ротора или применять корпус турбины с изменяемым проходным сечением.
“Турбоподхват” возникает при увеличении оборотов и скорости движения выхлопных газов после преодоления “турбоямы”. Вследствие этого резко увеличивается давление наддува, создаваемого турбокомпрессором и, соответственно, мощность двигателя. Чтобы исключить перегрузку деталей кривошипно-шатунного механизма и детонацию4 (в бензиновых двигателях), необходимо такое же резкое ограничение давления наддува.
Наиболее эффективный способ устранения этих недостатков — оснащение современных турбокомпрессоров электронной системой управления.
Эксплуатируя автомобиль с турбокомпрессором, желательно ориентироваться на следующие правила.
- Нельзя глушить двигатель на повышенных оборотах, сначала следует перейти на холостой ход на 3–5 минут, и только после этого остановить мотор.
1 Двигатель развивает максимальную мощность при определенной частоте вращения, именуемой “обороты максимальной мощности”.
2 В отличие от “наддувных”, двигатели без наддува иногда называют “атмосферные”.
3 Некоторые из окислов азота являются токсичными и даже канцерогенными.
Материалы: http://wiki.zr.ru/%D0%A2%D1%83%D1%80%D0%B1%D0%BE%D0%BA%D0%BE%D0%BC%D0%BF%D1%80%D0%B5%D1%81%D1%81%D0%BE%D1%80
3 ≫
-
По принятой маркировке буквы ТКР обозначают: турбокомпрессор (ТК) с радиальной турбиной (Р); цифра — диаметр колеса компрессора в сантиметрах.
Турбокомпрессором называют агрегат, состоящий из компрессора и газовой турбины, рабочие колеса которых сидят на одном валу. Энергия, необходимая для сжатия воздуха компрессором, поступает от газовой турбины.
На большинстве выпускаемых комбинированных двигателей вал (ротор) с сидящими на нем рабочими колесами компрессора и турбины не связан с коленчатым валом двигателя. Необходимым условием работы турбокомпрессора, помимо равенства частот вращения турбины и компрессора, является также равенство их эффективных мощностей на любом режиме.
Схема с опорами, расположенными по концам ротора, широко применяется в турбокомпрессорах. Основное преимущество этой схемы — рациональное расположение подшипников и узлов уплотнений по концам ротора, цапфы которого имеют малый диаметр; поэтому окружные скорости в подшипниках относительно невысоки, что, в свою очередь, уменьшает тепловыделение и возможность перегрева подшипников. Хорошие условия работы подшипников в схеме обусловлены расположением колес компрессора и турбины между подшипниками (при консольном расположении колес возрастают нагрузки на подшипник). К недостаткам схемы I относятся: увеличенная длина турбокомпрессора, сложность входного устройства компрессора, в том числе наличие ребер, затрудняющих получение высоких КПД .
Двухконсольная схема II с опорами, расположенными между дисками компрессора и турбины, обеспечивает минимальные габаритные размеры и массу турбокомпрессора. По этой схеме создают преимущественно турбокомпрессоры с центростремительной турбиной. Основной недостаток схемы — невозможность осмотра подшипников без разборки ротора, если корпус не имеет разъема в плоскости оси ротора. Кроме того, ввиду интенсивного нагрева подшипников необходимо их эффективное охлаждение, особенно со стороны турбины.
Схема III также весьма распространена; в ней колесо компрессора расположено консольно, а опоры ротора находятся по обеим сторонам диска турбины. Такая схема обусловливает минимальные потери на входе в компрессор и общую компактность турбокомпрессора. К недостаткам схемы относятся затрудненный доступ к подшипнику компрессора и необходимость разборки ротора при монтаже.
В схеме IV обеспечивается минимальная температура подшипников при наибольшей компактности. Эту схему часто называют схемой с моноротором, так как колеса компрессора и радиальной турбины непосредственно соприкасаются или представляют собой диск с двусторонним расположением лопаток. Высокая температура диска вызывает подогрев воздуха в колесе компрессора в процессе сжатия, в результате чего увеличивается работа, затрачиваемая на сжатие воздуха, и уменьшается КПД . При такой схеме вал ротора имеет обычно относительно небольшой диаметр и характеризуется меньшей жесткостью. Это затрудняет доводочные работы.
В рассмотренных выше схемах в качестве опор можно применять как подшипники скольжения, так и подшипники качения. Последние имеют меньшие потери на трение и меньшую длину, но уступают подшипникам скольжения по долговечности. В связи с этим подшипники скольжения широко используются в отечественных и зарубежных кострукциях турбокомпрессоров, хотя отдельные фирмы с успехом применяют подшипники качения.
Турбокомпрессор ТКР -7, выполненный по двухконсольной схеме II, устанавливают на двигатели грузовых автомобилей мощностью 100…300 кВт (КамАЗ, КАЗ , ЗИЛ , ГАЗ ); он обеспечивает степень повышения давления 1,6…2,5, расход воздуха 0,09…0,36 кг/с при температуре газов перед турбиной до 650 °С.
Отличительными особенностями турбокомпрессора являются безлопаточные диффузор 3 компрессора и входной направляющий аппарат 5 турбины, что позволяет расширить диапазон работы турбокомпрессора без существенного снижения его КПД , а также уменьшить массу корпуса турбины. Расчетные параметры потока на входе в рабочее колесо 8 турбины обеспечиваются специальным профилированием спирального канала корпуса турбины, отлитого из жаропрочного чугуна. Турбокомпрессор имеет минимальное число деталей и простую конструкцию.
Турбокомпрессор ТКР -11 также с центростремительной турбиной; его устанавливают на четырехтактных тракторных и комбайновых двигателях 6ЧН 13/11,5. Турбокомпрессор рассчитан на температуру газа перед турбиной 700 °С и максимальную степень повышения давления 2,5. Компрессор выполнен с лопаточным диффузором 10, а турбина имеет лопаточный сопловой аппарат. Корпус компрессора и вставку, изготовленную как одно целое с лопаточным диффузором, а также корпус подшипников отливают из алюминиевого сплава.
Подшипниковый узел представляет собой бронзовую втулку, посаженную с зазором в корпус и удерживаемую от поворота фиксатором, который одновременно служит для подвода масла к этому узлу Корпус турбины состоит из собственного корпуса и вставки. Ротор турбокомпрессора состоит из рабочего колеса 5 турбины, соединенного с валом при помощи сварки трением, и рабочего колеса компрессора, прижатого к втулке уплотнения гайкой. Колесо турбины отливают из жаропрочного сплава. Масляная полость уплотняется четырьмя разрезными кольцами типа поршневых.
Турбокомпрессор типа ТК-38 (6ТК), устанавливаемый на четырехтактные двигатели 16ЧН 26/26 магистральных тепловозов, показан на рис. 3. Турбокомпрессор имеет центробежный компрессор, одноступенчатую осевую турбину и рассчитан на температуру газа перед турбиной 650 °С и степень повышения давления 3,2. Отличительной особенностью турбокомпрессора является консольное расположение рабочих колес соответственно турбины и компрессора, а также конструкция корпуса. Разборный средний корпус установлен в корпусе турбины. Обе половины корпуса стыкуются по диаметральной плоскости. Применение консольной схемы обеспечивает монтаж ротора в сборе, что важно для сохранения балансировки последнего. Неохлаждаемая газовая улитка 6 уменьшает потери энергии выпускных газов, способствуя повышению КПД турбокомпрессора. Данная конструкция легко может быть приспособлена для двухступенчатой системы воздухоснабже-ния. В этом случае применяют или два отдельных турбокомпрессора, или один турбокомпрессор с двухступенчатым компрессором и турбиной.
Находит применение система наддува ком-прекс с газодинамической машиной, представляющей собой волновой обменник давления.
Волновой обменник давления представляет собой цилиндрический корпус, в котором размещается вращающийся ротор с радиальными перегородками, образующими каналы трапециевидного сечения. Ротор приводится во вращение при помощи ременной передачи от коленчатого вала двигателя. Один из торцов с помощью окон соединен с воздушными подводящим и отводящим трубопроводами, а второй торец — с аналогичными трубопроводами для подвода 5 и отвода 6 выпускных газов. Сечение окна, подводящего выпускные газы из цилиндров двигателя, выбирается таким, чтобы давление на входе в канал ротора составляло 0,18…0,2 МПа при работе двигателя на номинальном режиме.
Принцип действия волнового обменника давления основан на газодинамическом эффекте взаимодействия выпускных газов с воздухом во вращающихся каналах ротора. Причем при непосредственном контакте выпускных газов с воздухом выравнивание давления происходит значительно быстрее, чем перемешивание, особенно если газы движутся в узких каналах.
Работа волнового обменника давления осуществляется следующим образом. Находящийся наверху один из каналов ротора с обеих торцовых сторон закрыт и заполнен атмосферным воздухом. При вращении ротора правый торец канала сообщается сначала с окном подвода выпускных газов. В этот момент возникает волна давления, которая распространяется в канале со сверхзвуковой скоростью, сжимает находящийся в нем воздух. Длину канала, частоту вращения ротора выбирают таким образом, чтобы к моменту открытия окна на выходе воздуха волна давления достигла левого торца канала. Одновременно в канал, но уже с меньшей скоростью, чем распространяется волна давления, поступают выпускные газы и подобно поршню вытесняют сжатый воздух в выпускной трубопровод.
Внезапное перекрытие газового потока у правой кромки, закрывающей вход газов в канал из окна входа газов, создает волну разрежения, которая снижает давление газов, а вытекание воздуха через окно выхода воздуха происходит вследствие инерции потока.
В тот момент, когда левый торец канала проходит кромку, перекрывающую окно выхода воздуха, выпускные газы заполняют приблизительно две трети канала и отделяются от воздуха зоной перемешивания.
После этого оба торца канала снова закрываются, а давление газа в нем становится меньше, чем в зоне входа газа, но выше атмосферного. Поэтому газы вытекают из канала как только ротор поворачивается в положение, при котором канал сообщается с окном выхода газа. При этом создается волна разрежения, которая достигает левого торца канала, когда он подойдет к окну входа воздуха. Под действием перепада давлений канал заполняется свежим воздухом, а выпускные газы по инерции продолжают вытекать в отводной патрубок выхода газа. Когда выпускные газы и смесь газов с воздухом, естественно образующихся при их непосредственном контакте, полностью вытекают из канала, цикл повторяется. Аналогичные явления происходят в других каналах, число которых в выполненных конструкциях достигает 70, а иногда и более.
В настоящее время разработаны волновые обменники давления для наддува дизелей мощностью до 450 кВт, с КПД до 75 % и степенью повышения давления до 2,1. Для обеспечения симметричного нагрева корпуса, необходимого для сохранения малых зазоров как с торцовых, так и с боковых сторон, все окна и трубопроводы выполнены парными через 180°. Для расширения эффективной работы волнового обменника при изменении частоты вращения ротора и температуры выпускных газов (нагрузки двигателя) в реальных конструкциях в торцовых стенках корпуса выполняют специальные камеры (карманы), которые изменяют интенсивность отражения волн сжатия и расширения и тем самым поддерживают эффективность волнового обменника давления на допустимом уровне.
Несмотря на более благоприятную характеристику двигателей с волновым обменником давления, системы воздухоснабжения в этом случае имеют увеличенные габаритные размеры и более высокую стоимость.
Система наддува «Гипербар»
Схема системы наддува «Гипербар» приведена на рис. 6. Поступающий из компрессора поток воздуха разделяется на наддувочный, подаваемый в двигатель, и дополнительный, проходящий через перепускной канал и смешивающийся затем с выпускными газами. Дополнительный воздух нагревается в камере сгорания 8 и подается к турбине. Благодаря сжиганию дополнительного количества топлива в камере сгорания на выходе из компрессора, который может быть двухступенчатым, поддерживается высокое давление 0,5…0,7 МПа независимо от режима работы поршневой части двигателя. Для ограничения максимального давления сгорания дизель имеет низкую степень сжатия (б = 7…8). Пуск турбокомпрессора осуществляется с помощью электродвигателя. Количество топлива в камере сгорания и перепуск воздуха регулируют по определенным закономерностям специальным регулятором 6. При пуске дизеля сжатый воздух, минуя охладитель, подается в цилиндры. Небольшое запальное пламя постоянно горит в камере сгорания.
Преимуществами этого способа наддува являются: высокое среднее эффективное давление (до 3 МПа) при ограниченном максимальном давлении сгорания; умеренная тепловая нагрузка; хорошая приемистость и, самое главное, возможность изменения характеристики крутящего момента вплоть до получения постоянной мощности при любой
частоте вращения коленчатого вала. К недостаткам данной схемы следует отнести относительно высокий удельный расход топлива вследствие низкой степени сжатия, сложность конструкции и регулирования.
Главная → Справочник → Статьи → Форум
Остались вопросы по теме:
© 2007-2017 Строй-Техника.Ру - информационная система по строительной технике.
Материалы: http://stroy-technics.ru/article/turbokompressor