Temos:
- Operacija
- Turbo skylė
- Twin turbo
- Triturbo
- Twin scroll turbo
- Kintamos geometrijos turbo
- Išmetimo vožtuvas
- Wastegate
- Tarpinis aušintuvas
- Kompresoriaus charakteristika (viršįtampis ir droselis)
- Kompresoriaus ir turbo derinys
- Elektroninė turbo
Operacija:
Iš cilindrų išeinančios išmetamosios dujos tiekiamos iš išmetimo kolektoriaus į turbiną. Dėl išmetamųjų dujų slėgio turbinos ratas sukasi (raudonos dujos). Tada išmetamosios dujos iš turbinos per tą patį turbinos ratą patenka į išmetamąsias dujas. Kompresoriaus ratas yra varomas velenu (mėlynosios dujos). Kompresoriaus ratas įsiurbia orą iš šono (kur pavaizduotas oro filtras) ir tiekia jį esant slėgiui (per mėlyną rodyklę) per turbo žarną į tarpinis aušintuvas. Tarpinis aušintuvas aušina suslėgtą orą (variklis geriau veikia su vėsesniu oru). Tada oras patenka į įsiurbimo kolektorių.
Naudojant turbiną, įsiurbimo takto metu į cilindrus patenka daugiau oro nei su atmosferiniu varikliu, kuris tik įtraukiamas, nes stūmoklis juda žemyn. Tokiu būdu tiekiant į cilindrus daugiau oro ir įpylus daugiau degalų, bus pasiekiama didesnė galia.
Turboslėgis matuojamas pagal įkrovimo slėgio jutiklis. Turboslėgis reguliuojamas pagal signalą, kurį šis jutiklis siunčia į ECU.
Turbina montuojama kuo arčiau išmetimo kolektoriaus. Kartais kolektorius ir turbina yra suprojektuoti kaip viena visuma. Turbo turi būti montuojamas kuo arčiau cilindro galvutės, nes išmetamųjų dujų greitis mažėja kuo mažiau ir prarandama kuo mažiau slėgio.
Turbo delsa:
Senesni turbo varikliai dažnai kenčia nuo liūdnai pagarsėjusio turbo lag. Turbo veikia iš variklio išmetamųjų dujų. Jei akceleratoriaus pedalas vienu ypu nuspaustas iki apačios, varikliui esant nedideliam greičiui reikia daug oro, tačiau tuo momentu turbo vis tiek turi užvesti nuo išmetamųjų dujų, kurios išsiskiria. Turbo dar nepateikia pakankamai slėgio. Tik tada, kai variklis pasiekia didesnį sūkių skaičių, turbina tinkamai užsiveda. Dažniausiai tai nutinka apie 2000 aps./min. ir pastebima, nes automobilis įsibėgėja stipriau.
Šis turbo lagas laikomas dideliu trūkumu. Dėl to daugelis žmonių pasisako už vieną mechaninis kompresorius. Tai veikia nuolat, nes yra varomas tiesiogiai alkūninio veleno, todėl visada tuo pačiu greičiu, kaip sukasi variklis. Kompresorius nedelsdamas tieks slėgį nuo tuščiosios eigos greičio, kai pagreitinsite. Šiandien automobiliuose gaminamos turbinos yra mažiau paveiktos, iš dalies dėl kintamos turbinos.
Twin turbo:
Papildymas „dvi turbo“ rodo, kad yra dvi turbinos. Šios 2 turbinos gali būti išdėstytos viena šalia kitos 1 cilindrų eilėje arba po 1 turbiną kiekvienoje cilindrų eilėje. Tai suteikia vairuotojui didesnio sukimo momento važiuojant mažu greičiu pranašumus, geresnius našumus važiuojant dideliu greičiu ir sklandesnį variklio charakterį. Esant mažam greičiui, oras į variklį tiekiamas maža turbokompresoriumi, o esant didesniam greičiui didesnė turbina tampa funkcionali. Didesnė turbina turi didesnį turbo uždelsimą, nes jai reikia daugiau oro, kad pajudėtų, bet tada tai panaikina maža turbokompresorius.
Toliau pateiktuose keturiuose paveikslėliuose aprašomos situacijos, kai veikia abi turbo, arba kai veikia tik viena iš dviejų. Keturi apskritimai yra cilindrai, raudona ir mėlyna dalys yra išmetamosios dujos ir įsiurbiamas oras. Tarpinis aušintuvas pažymėtas „IC“.
Mažas variklio greitis ir maža variklio apkrova:
Kai greitis mažesnis nei 1800 aps./min., išmetamųjų dujų srautas yra nedidelis. Mažas tūris leidžia naudoti mažą turbokompresorių. Vožtuvas tarp išmetimo kolektoriaus ir didelio turbo yra uždarytas. Todėl išmetamosios dujos perduodamos tik iš mažos į didelę turbiną. Didelė turbina jau pakeliama aukštyn. Tai serijinė jungtis, nes naudojamos abi turbo.
Vidutinis variklio greitis ir vidutinė apkrova:
Tarp 1800 ir 3000 aps./min atsidaro vožtuvas tarp išmetimo kolektoriaus ir didelės turbo. Šiuo metu abi turbinos yra varomos tiesiogiai variklio išmetamosiomis dujomis. Tai taip pat serijinis jungimas, nes naudojami abu turbo.
Didelis variklio greitis ir didelė apkrova:
Virš 3000 aps./min. išmetamųjų dujų srautas tampa per didelis mažam turbinui. Turbo yra išjungtas, kad neperžengtų vadinamosios „droselinės linijos“ (žr. kompresoriaus charakteristikų skyrių toliau puslapyje). Mažos turbokompresoriaus vožtuvas atidaromas, kad visos išmetamosios dujos, tiekiamos į turbiną, būtų nukreiptos pro turbiną. Tada išmetamosios dujos nepasiekia kompresoriaus rato.
Didelė turbina pilnai tiekiama išmetamosiomis dujomis. Vožtuvas lieka atviras, todėl didelė turbo variklis gali pasiekti didelį greitį ir taip perkelti daug įsiurbiamo oro į įsiurbimo kolektorių.
Triturbo:
Šiais laikais gaminami ir „tri-turbo“ varikliai. Šiuose varikliuose sumontuotos trys turbinos, kad būtų galima pasiekti maksimalų pripildymo lygį kiekviename sūkių diapazone. BMW naudoja tri-turbo technologiją su, be kita ko, M550d. Dvi mažos turbinos naudoja kintamą geometriją, todėl tinka tiek mažam, tiek dideliam greičiui. Priklausomai nuo greičio, turbo reguliuojama geresnei reakcijai. Didelėje turbokompresoriaus varikliui naudojamas atvartas.
Žemiau aprašytos dvi situacijos, nurodančios, kuri turbina ir kuriuo metu veikia.
Mažas variklio greitis ir maža apkrova:
Varomas tik vienas iš dviejų mažų turbinų. Dėl turbo dydžio jis greitai suvyniojamas. Mažoji turbina išmetamąsias dujas perduoda didelei turbinai. Taip jau pradės veikti didelė turbo.
Vidutinis ir didelis variklio greitis ir apkrova:
Varomos abi mažos turbo. Dvi mažos turbinos varo didelę turbiną. Taip pasiekiamas maksimalus pripūtimo slėgis esant vidutiniam ir dideliam greičiui.
Twin scroll turbo:
Kai išmetimo kolektoriuje susilieja kelios išmetamosios dujos, gali kilti trikdžių problemų; slėgio bangos trukdo viena kitai. Naudojant „Twin-scroll“ turbiną, išmetamosios dujos yra atskirtos viena nuo kitos ir nukreipiamos į turbiną dviem kanalais. Išmetamosios dujos iš 1 ir 2 cilindrų nesusirenka į įsiurbimo kolektorių, o atsitrenkia į turbinos ratą nepriklausomai viena nuo kitos. Naudojant „Twin-scroll“ turbokompresorių, greitesnis droselio atsakas ir didesnis efektyvumas. Toliau pateiktame paveikslėlyje parodyta, kad išmetamosios dujos iš 1 ir 4 cilindrų susilieja, o iš 2 ir 3 – kartu.
Naudojant įprastą turbiną, išmetamosios dujos išmetimo kolektoriuje susiliečia viena su kita. Mes tai vadiname „trukdymu“. Žemiau esančiame paveikslėlyje parodyti slėgio impulsai, sukurti vieno cilindro išmetimo kolektoriuje.
Kadangi susiduriame su vožtuvų persidengimu (įleidimo ir išmetimo vožtuvai yra atviri keičiant išmetimo taktą į įsiurbimo taktą), taip pat susidaro neigiamas slėgis (mažesnis nei atmosferos slėgis). Kai vožtuvas persidengia, išmetamosios dujos padeda į degimo kamerą patekti šviežio oro ir pašalina likusias išmetamąsias dujas. Taip degimo šukos tiekia daugiau deguonies, todėl padidėja tūrinis efektyvumas.
Žiūrėdami į slėgį keturių cilindrų variklio išmetimo kolektoriuje matome daug trukdžių. Kiekvienas teigiamas impulsas tampa mažesnis dėl neigiamo slėgio dėl vožtuvo persidengimo. Tai yra turbo delsos trūkumas (reakcijos laikas suktis)
Naudojant dvigubo slinkimo turbokompresorių, pailgėja reakcijos laikas, nes išmetamosios dujos iš 1+4 ir 2+3 cilindrų yra atskiriamos. Pulsai yra daug stipresni, nes tuo metu jų neveikia neigiami impulsai. Todėl gamintojas taip pat gali padidinti vožtuvo persidengimo laiką, kad pasiektų dar didesnį tūrinį efektyvumą.
Kintamos geometrijos turbo variklis:
Turbo su atskyrimo sklende kenčia nuo turbo uždelsimo; Tik tada, kai variklis sukasi tam tikrą apsisukimų skaičių, turbina tiekiama pakankamai išmetamųjų dujų, kad ji pradėtų veikti. Kintamos geometrijos turbina neturi išmetimo vožtuvo, bet turi reguliuojamas mentes išmetimo kanale. Šiuos peilius galima reguliuoti sukant reguliavimo žiedą. Šis reguliavimo žiedas sukasi vakuumo pagalba. Reikiamą vakuumo kiekį užtikrina elektromagnetinis vožtuvas (solenoidinis vožtuvas), pagrįstas variklio apkrova ir variklio sūkiais, kurį valdo ECU.
Reguliuojant peiliukus galima nukreipti oro srautą. Dėl pasikeitusio oro srauto turbina jau gali važiuoti didesniu greičiu esant žemiems variklio sūkiams, įskaitant ir mažesnį išmetamųjų dujų slėgį. Menčių padėtis riboja išmetamųjų dujų kiekį, kuris gali įtekėti. Kad būtų galima važiuoti didesniu greičiu, peiliai bus reguliuojami į vidų esant didesniam variklio sūkių dažniui. Didelis pripildymo slėgis gali būti pasiektas tiek mažu, tiek dideliu greičiu. Tai užtikrina optimalų turbinos veikimą plačiame sūkių diapazone, nes variklis gaus tokį patį pripūtimo slėgį esant mažam greičiui, kaip ir esant didesniam greičiui.
Išleidimo vožtuvas:
Išleidimo vožtuvas taip pat vadinamas „išpūtimo vožtuvu“. Išleidimo vožtuvas sumontuotas ant turbo žarnos, kur oras iš turbo į variklio įsiurbimo pusę tiekiamas. Įsibėgėjant lengvojo automobilio turbo gali pasiekti 200.000 XNUMX apsisukimų per minutę. Tokiu greičiu pasiekiamas didžiausias įkrovimo slėgis. Vienu metu atleidus akceleratoriaus pedalą, variklio įsiurbimo pusėje yra daug oro slėgio, tačiau droselio sklendė uždaryta.
Be išmetimo vožtuvo sukuriamas priešslėgis turbinos link, todėl tiekiamas įpūtimo oras greitai sumažina turbinos greitį. Vėl įsibėgėjus, prireikia nemažai laiko, kol turbina vėl įsibėgės. Išleidimo vožtuvas to neleidžia. Kai dujos išleidžiamos, jos išpūs tam tikrą tiekiamo oro kiekį. Tada oro perteklius dingo iš įsiurbimo sistemos. Turbo mentės nesulėtėja, todėl vėl įsibėgėjus akceleratoriaus pedalui, jos įsijungs greičiau. Išmetimo vožtuvas iškart užsidaro, kai išpučiamas tiekiamas oras. Priešingai nei daugelis galvoja, išleidimo vožtuvas nesuteikia daugiau galios.
Išmetimo vožtuvas sukelia tipišką išpūtimo garsą, kai automobilyje su turbina įsibėgėjant išleidžiamos dujos.
Wastegate:
Ant kiekvienos turbinos be kintamų mentelių yra sumontuotas atvartas. Išmetimo sklendė užtikrina, kad slėgis turbinos korpuse (t. y. išmetimo pusėje) netaptų per didelis. Kai veikia turbina ir didėja slėgis, išmetimo sklendė uždaroma. Visas oras, kuris palieka cilindrus išmetimo takto metu, iš tikrųjų yra naudojamas turbinos ratui varyti. Taip pasiekiamas maksimalus pripildymo slėgis.
Tačiau dirbant tuščiąja eiga, slėgis nereikalingas. Tą akimirką atsidaro šiukšlių sklendė. Kai kurios išmetamosios dujos nukreipiamos į išmetamąsias dujas; jis gali tekėti tiesiai į išmetimą. Išmetimo sklendė iš esmės yra vožtuvas tarp išmetimo kolektoriaus ir variklio išmetimo; visas oras, tekantis pro atskyrimo sklendę, nepraeina per turbo. Taigi iš esmės turima energija nenaudojama. Todėl taip pat galima paaiškinti atliekos dangtelio pavadinimą; „Atliekos“ angliškai reiškia „loss“.
Pasiekus tam tikrą greitį atsidaro ir atvartas; Įsibėgėjant turbo turi greitai įsibėgėti, tačiau kai turbina, įskaitant ir kompresoriaus ratą, pasiekia tam tikrą greitį, šis greitis turi būti pastovus. Šiuo greičiu atidarius išmetimo sklendę, išmetamųjų dujų perteklius gali būti nukreiptas tiesiai į išmetimą. Turbinos greitį galima reguliuoti reguliuojant angų atidarymo kampą. ECU reguliuoja remiantis duomenimis iš įkrovimo slėgio jutiklis kiek kontroliuojama atliekų sklendė.
Tarpinis aušintuvas:
Suslėgto oro temperatūra gali tapti labai šilta (daugiau nei 60 laipsnių Celsijaus). Norint geriau degti, oras turi atvėsti. Tuo pasirūpina tarpinis aušintuvas. Tarpinis aušintuvas yra atskira dalis, todėl yra išsamiai aprašytas kitame puslapyje; žiūrėkite puslapį tarpinis aušintuvas.
Kompresoriaus charakteristika (viršįtampis ir droselis)
Projektuojant variklį reikia atsižvelgti į turbokompresoriaus dydį. Turbinos dydžio suderinimas su varikliu vadinamas „derinimu“. Jei turbo yra per didelis, atsiras didelis „turbo tarpas“. Turbina įsijungs ne taip greitai, nes turbinos korpusas per didelis mažam išmetamųjų dujų kiekiui. Tik esant didesniam greičiui, turbokompresorius pasieks greitį ir galės tiekti aukštą slėgį. Jei turbo yra per mažas, turbo lagas beveik nebus. Turbinos ratas greitai įsijungs su nedideliu išmetamųjų dujų kiekiu. Didelis turboslėgis pasiekiamas jau esant mažam greičiui. Trūkumas yra tas, kad važiuojant didesniu greičiu išmetamųjų dujų kiekis yra per didelis šiai mažai turbinai. Išmetamųjų dujų yra daugiau, nei telpa į turbiną; tokiu atveju anga turi atsidaryti anksčiau ir nukreipti daug išmetamųjų dujų. Atliekos yra „praradimo“ vertimas, kuris taip pat galioja čia; išmetamosios dujos, tekančios per išmetimo sklendę, neprisidėjo prie turbinos vairavimo.
Todėl turbinos dydis yra labai svarbus variklio konstrukcijai. Kiekvienai turbinai projektuojant buvo suteikta kompresoriaus charakteristika. Pagal kompresoriaus charakteristiką galima nustatyti, ar jis tinka konkrečiam varikliui. Žemiau esančiame paveikslėlyje parodytas kompresoriaus charakteristikų pavyzdys.
Slėgio santykis P2/P1 (Y ašyje) yra santykis tarp įėjimo (P1) ir turbokompresoriaus išleidimo angos (P2). Slėgis už turbinos rato visada yra mažesnis nei anksčiau. Slėgio santykis (be matmenų) 2,0 reiškia, kad slėgis prieš turbinos ratą yra dvigubai didesnis nei po turbinos rato. Tūrio srauto koeficientas (X ašyje) yra oro kiekis, tekantis per turbiną. Lenktos, horizontalios linijos rodo turbo veleno greitį.
Paveikslėlyje parodyta, kad raudona linija yra viršįtampio linija, o mėlyna linija yra droselio linija. Surgeline, dar vadinama siurblio riba, yra riba, kai kompresoriaus rato greitis yra per mažas. Surgeline yra oro srauto apribojimas dėl per mažo kompresoriaus rato. Slėgio santykis per didelis, o tūrio srautas per mažas. Oro kompresorius nebesiurbia, todėl sustoja ir vėliau vėl pradeda suktis. Šis nestabilus oro srautas sukelia slėgio svyravimus ir pulsavimą įsiurbimo trakte. Pulsavimas taip pat vadinamas kompresoriaus „šūkiu“. Iš čia ir kilo pavadinimas „surgeline“. Pirmyn ir atgal tekantis oras sukelia dideles jėgas, kurios gali perkrauti turbiną. Kompresoriaus ratų mentės gali nulūžti ir guoliai gali būti perkrauti.
Droselio linija yra dar viena riba, kurios kompresorius neturėtų viršyti. Čia didžiausias tūrio srautas atsiranda esant žemam slėgio santykiui. Kompresoriaus korpuso skersmuo lemia didžiausią tūrinį srautą. Viršijus droselio liniją, kompresoriaus ratas yra per mažas, kad galėtų valdyti (didesnį) tūrio srautą. Dėl to prarandama daug variklio galios. Droselis taip pat vadinamas „persukimo droseliu“.
Paveikslėlyje parodyta kompresoriaus charakteristika esant dalinei apkrovai varikliui. Variklis turi turėti mažiausias degalų sąnaudas esant dalinei apkrovai. Mažiausios specifinės degalų sąnaudos pasiekiamos su mažiausia sala. Atliekų sklendė reguliuoja slėgį taip, kad jis eitų tiesiai per vidurinę salą. Iš pradžių išmetimo sklendė uždaroma, kad padidėtų turboslėgis. Variklio valdymo sistema atidaro išmetimo sklendę, kaip parodyta paveikslėlyje žalia linija. Turbo veleno greitis yra nuo 8000 iki 9000 apsisukimų per minutę.
Važiuojant kalnuose yra didesnis geografinis aukštis; ten oras plonesnis. Tai turi įtakos turbo veikimui, nes plonesniame ore yra mažiau deguonies, dėl to nukrenta slėgis kompresoriui. Slėgio santykis, įskaitant kompresoriaus greitį, turi padidėti, kad būtų pasiektas galutinis pripildymo slėgis. Šią situaciją galima pamatyti paveikslėlyje.
Žalia linija nurodo dalinės apkrovos situaciją važiuojant jūros lygiu, o oranžinė linija važiuojant kalnuose. Dėl plonesnio oro kompresoriaus greitis padidės iki 100000 XNUMX apsisukimų per minutę.
Didesnis kompresoriaus greitis taip pat padidins į variklį tiekiamo oro temperatūrą. Todėl tarpinis aušintuvas turės išsklaidyti daugiau šilumos. Dabar skirtumas matomas ir degalų sąnaudose; Kalnuose degalų sąnaudos padidės dėl didesnio slėgio santykio P2/P1 ir didesnio turbo greičio.
Turbo ir kompresoriaus derinys:
Šiais laikais automobilių gamintojai vis dažniau renkasi variklį aprūpinti turbina ir kompresoriumi. Turbo variklis dažnai būna didesnio dydžio ir yra su išmetimo vartais. Kompresorius padeda išvengti turbo lago; Esant mažam variklio sūkių dažniui, kompresorius sukuria pripūtimo slėgį ir paleidžia turbo variklį. Esant didesniam greičiui, turbo perima.
Suslėgtas oras per kompresorių arba aplinkkelio vožtuvą patenka į turbokompresorių ir per turbiną per tarpinį aušintuvą į įsiurbimo kolektorių.
Norėdami gauti daugiau informacijos apie Roots kompresorių, spustelėkite čia.
Elektroninė turbokomoda:
Įprasta turbina kenčia nuo turbo uždelsimo esant mažam greičiui, nes turbinos ratui sukti reikalingos išmetamosios dujos. Kompresorius nuo to nenukenčia ir tiekia įkrovimo slėgį nuo tuščiosios eigos greičio. Šių dviejų derinys atrodo idealus. Tačiau mechaninis Roots kompresorius turi būti varomas alkūniniu velenu. Šiame procese prarandama energija. Todėl automobilių gamintojai eksperimentuoja su keliais išmetamųjų dujų turbinais arba elektriniais turbinais, kad išvengtų išmetamųjų dujų turbokompresorių.
Elektrinę turbiną valdo variklio valdymo blokas. Vos per 250 milisekundžių kompresoriaus ratas pasiekia ne mažesnį nei 70.000 XNUMX apsisukimų per minutę greitį. Elektros variklis turbinoje varo kompresoriaus ratą. Kompresoriaus ratas perkelia slėgį įleidžiamą orą į išmetamųjų dujų turbokompresoriaus ratą. Kompresoriaus ratas labai greitai sukasi, kai elektros variklis tampa kontroliuojamas.
Elektrinės turbokompresoriaus pagalba variklis greičiau reaguoja, o esant didesniam greičiui, kai išmetamųjų dujų turbokompresorius gali tiekti visą pripūtimo slėgį, elektroninė turbokompresorius išjungiamas.
