Предметы:
- операция
- Турбо отверстие
- Твин турбо
- Три-турбо
- Твин-скролл турбо
- Турбо с изменяемой геометрией
- Клапан сброса
- вестгейт
- Интеркулер
- Характеристики компрессора (помпаж и дроссельная линия)
- Комбинация турбо и компрессора
- Электронный турбо
Операция:
Выхлопные газы, выходящие из цилиндров, подаются из выпускного коллектора в турбину. Давление выхлопных газов приводит во вращение колесо турбины (красные газы). Затем выхлопные газы покидают турбину через то же колесо турбины и попадают в выхлоп. Колесо компрессора приводится в движение посредством вала (голубые газы). Колесо компрессора всасывает воздух сбоку (там, где показан воздушный фильтр) и подает его под давлением (по синей стрелке) через турбошланг в интеркулер. Интеркулер охлаждает сжатый воздух (двигатель работает лучше с более холодным воздухом). Затем воздух попадает во впускной коллектор.
При использовании турбонаддува во время такта впуска в цилиндры поступает больше воздуха, чем в безнаддувном двигателе, который всасывается только потому, что поршень движется вниз. Подавая таким образом больше воздуха в цилиндры и добавляя больше топлива, можно будет получить более высокую мощность.
Давление турбонаддува измеряется датчик давления наддува. Давление турбонаддува регулируется на основе сигнала, который этот датчик отправляет в ЭБУ.
Турбина установлена как можно ближе к выпускному коллектору. Иногда коллектор и турбина проектируются как одно целое. Турбо необходимо устанавливать как можно ближе к головке блока цилиндров, поскольку скорость выхлопных газов снижается как можно меньше и теряется как можно меньше давления.
Турбо-лаг:
Старые турбины часто страдают от печально известной турбо-задержки. Турбо работает на выхлопных газах двигателя. Если за один раз нажать педаль акселератора до упора, двигателю нужно много воздуха на малых оборотах, но в этот момент турбо все равно приходится запускать от выделяющихся выхлопных газов. Турбина еще не дает достаточного давления. Только когда двигатель достигает более высоких оборотов, турбонаддув запускается должным образом. Обычно это происходит около 2000 об/мин и заметно, потому что машина ускоряется сильнее.
Эта турбо-задержка считается серьезным недостатком. В результате многие люди выступают за один механический компрессор. Это работает постоянно, поскольку приводится в движение непосредственно коленчатым валом и, следовательно, всегда с той же скоростью, что и двигатель. Компрессор немедленно подает давление на холостом ходу при ускорении. Турбины, которые сегодня встроены в автомобили, меньше страдают от этого, отчасти благодаря регулируемой турбине.
Twin Turbo:
Дополнение «твин-турбо» указывает на наличие двух турбин. Эти две турбины могут быть расположены рядом друг с другом в одном ряду цилиндров или по одной турбине на ряд цилиндров. Это дает водителю преимущество в увеличении крутящего момента на низких скоростях, улучшенных характеристиках в диапазоне высоких скоростей и более плавном характере двигателя. На низких скоростях воздух подается в двигатель небольшой турбиной, а на более высоких скоростях начинает работать более крупная турбина. Более крупный турбонаддув имеет большую турбо-задержку, потому что для запуска ему требуется больше воздуха, но затем он компенсируется маленьким турбонаддувом.
Четыре изображения ниже описывают ситуации, в которых работают обе турбины или когда работает только одна из двух. Четыре кружка — это цилиндры, красная и синяя части — выхлопные газы и всасываемый воздух. Интеркулер имеет маркировку «IC».
Низкая частота вращения двигателя и низкая нагрузка двигателя:
На оборотах ниже 1800 об/мин наблюдается небольшой объемный расход выхлопных газов. Небольшой объем дает возможность использовать небольшую турбину. Клапан между выпускным коллектором и большой турбиной закрыт. Таким образом, выхлопные газы передаются только от маленькой турбины к большой. Большая турбина уже набирает обороты. Это последовательное соединение, потому что используются обе турбины.
Средние обороты двигателя и умеренная нагрузка:
Между 1800 и 3000 об/мин открывается клапан между выпускным коллектором и большой турбиной. В настоящее время обе турбины приводятся в действие непосредственно выхлопными газами двигателя. Это тоже последовательное соединение, потому что используются обе турбины.
Высокая частота вращения двигателя и высокая нагрузка:
При частоте вращения выше 3000 об/мин объемный расход выхлопных газов становится слишком большим для маленькой турбины. Турбо отключается, чтобы не пересекать так называемую «дроссельную линию» (см. главу о характеристиках компрессора ниже на странице). Перепускная заслонка небольшой турбины открывается, так что весь выхлопной газ, подаваемый в турбину, проходит мимо турбины. В этом случае выхлопные газы не достигают колеса компрессора.
Большая турбина полностью снабжена выхлопными газами. Клапан остается открытым, так что большая турбина может достигать высоких оборотов и, таким образом, перемещать много всасываемого воздуха во впускной коллектор.
Тритурбо:
В настоящее время производятся и двигатели «тритурбо». На этих двигателях установлены три турбины, поэтому максимальный уровень наполнения может быть достигнут в любом диапазоне скоростей. BMW использует технологию тритурбо, в частности, в M550d. В двух небольших турбинах используется изменяемая геометрия, поэтому они подходят как для низких, так и для высоких скоростей. В зависимости от скорости турбонастраивается для лучшего отклика. Большой турбо использует перепускную заслонку.
Ниже описаны две ситуации с указанием того, какая турбина в какое время работает.
Низкая частота вращения двигателя и низкая нагрузка:
Приводится в движение только одна из двух маленьких турбин. Из-за размера турбины она раскручивается быстро. Маленькая турбина передает выхлопные газы в большую турбину. Это уже запустит большую турбину.
Средние и высокие обороты двигателя и нагрузка:
Обе маленькие турбины являются приводными. Две маленькие турбины приводят в движение большую турбину. За счет этого достигается максимальное давление наддува на всех средних и высоких скоростях.
Твин-скролл турбо:
Когда в выпускном коллекторе собираются несколько выхлопных газов, могут возникнуть проблемы с помехами; волны давления мешают друг другу. В турбодвигателе Twin-scroll выхлопные газы отделяются друг от друга и направляются в турбину по двум каналам. Выхлопные газы из цилиндров 1 и 2 не сходятся во впускном коллекторе, а ударяются о колесо турбины независимо друг от друга. Применение турбонаддува Twin-scroll приводит к более быстрому отклику дроссельной заслонки и более высокой эффективности. На изображении ниже видно, что выхлопные газы из цилиндров 1 и 4 собираются вместе, а из 2 и 3 - вместе.
В обычной турбине выхлопные газы контактируют друг с другом в выпускном коллекторе. Мы называем это «интерференцией». На изображении ниже показаны импульсы давления, создаваемые в выпускном коллекторе одного цилиндра.
Поскольку мы имеем дело с перекрытием клапанов (впускной и выпускной клапаны открыты во время перехода от такта выпуска к такту впуска), также создается отрицательное давление (ниже атмосферного давления). Благодаря перекрытию клапанов выхлопные газы помогают втягивать свежий воздух в камеру сгорания и вытеснять оставшиеся выхлопные газы. Это снабжает соты сгорания большим количеством кислорода, что увеличивает объемный КПД.
Когда мы смотрим на давление в выпускном коллекторе четырехцилиндрового двигателя, мы видим много помех. Каждый положительный импульс становится менее высоким из-за отрицательного давления из-за перекрытия клапанов. Это недостаток турбо-лага (время реакции на раскрутку)
Использование турбонаддува Twin-Scroll улучшает время отклика, поскольку выхлопные газы цилиндров 1+4 и 2+3 разделены. Импульсы намного сильнее, потому что в этот момент на них не влияют отрицательные импульсы. Таким образом, производитель может также увеличить время перекрытия клапанов для достижения еще более высокого объемного КПД.
Турбо с изменяемой геометрией:
Турбо с перепускной заслонкой страдает турбо-лагом; Только когда двигатель совершает определенное количество оборотов, турбина получает достаточное количество выхлопных газов для начала работы. Турбина с изменяемой геометрией не имеет перепускной заслонки, но имеет регулируемые лопатки в выпускном канале. Эти лезвия можно регулировать, поворачивая регулировочное кольцо. Это регулировочное кольцо вращается с помощью вакуума. Требуемая величина вакуума обеспечивается электромагнитным клапаном (электромагнитным клапаном) в зависимости от нагрузки двигателя и частоты вращения двигателя, который контролируется ЭБУ.
Регулируя лопасти, можно направить поток воздуха. За счет изменения расхода воздуха турбина уже может работать на более высоких оборотах при низких оборотах двигателя, в том числе при более низком давлении выхлопных газов. Положение лопаток ограничивает количество выхлопных газов, которые могут попасть внутрь. Чтобы иметь возможность работать на более высоких скоростях, лопасти будут отрегулированы внутрь при более высоких оборотах двигателя. Высокое давление наполнения может быть достигнуто как на низких, так и на высоких скоростях. Это гарантирует оптимальную работу турбонаддува в широком диапазоне скоростей, поскольку двигатель будет получать такое же давление наддува на низкой скорости, как и на более высокой скорости.
Клапан сброса:
Сливной клапан еще называют «продувочным клапаном». Клапан сброса давления установлен на шланге турбины, по которому воздух из турбины подается на впуск двигателя. При ускорении турбина легкового автомобиля может достигать 200.000 XNUMX оборотов в минуту. На этой скорости достигается максимальное давление наддува. Когда педаль акселератора полностью отпускается, на стороне впуска двигателя имеется большое давление воздуха, но дроссельная заслонка закрыта.
Без выпускного клапана в сторону турбины создается противодавление, в результате чего подаваемый наддувочный воздух быстро снижает скорость турбины. Когда вы снова ускоряетесь, турбине требуется много времени, чтобы снова набрать скорость. Клапан сброса предотвращает это. При выпуске газа он выдувает определенное количество подаваемого воздуха. После этого лишний воздух исчез из системы впуска. Лопасти турбонаддува не замедляются и, следовательно, запускаются быстрее, когда дроссельная заслонка снова ускоряется. Сливной клапан закрывается сразу после стравливания подаваемого воздуха. Вопреки мнению многих, сливной клапан не обеспечивает большей мощности.
Клапан сброса давления издает типичный звук продувки, когда газ выпускается во время ускорения в автомобиле с турбонаддувом.
Вестгейт:
Перепускная заслонка установлена на каждой турбине без регулируемых лопаток. Перепускная заслонка гарантирует, что давление в корпусе турбины (т.е. на стороне выпуска) не станет слишком большим. Когда турбина работает и давление нарастает, перепускная заслонка закрывается. Весь воздух, который покидает цилиндры во время такта выпуска, фактически используется для приведения в движение колеса турбины. При этом достигается максимальное давление наполнения.
Однако на холостом ходу давление наддува не требуется. В этот момент открывается вестгейт. Часть выхлопных газов отводится в выхлоп; он может течь прямо в выхлопную систему. Перепускная заслонка — это, по сути, клапан между выпускным коллектором и выхлопом двигателя; весь воздух, который проходит через вестгейт, не проходит через турбину. Таким образом, доступная энергия в принципе не используется. Таким образом, можно объяснить и название вестгейта; «Waste» в переводе с английского означает «потеря».
Перепускная заслонка также открывается при достижении определенной скорости; При разгоне турбина должна быстро набирать обороты, но когда турбина, включая колесо компрессора, достигает определенной скорости, эту скорость необходимо поддерживать постоянной. Открыв перепускную заслонку на этой скорости, излишки выхлопных газов можно направить прямо в выхлоп. Скорость турбонаддува можно контролировать, регулируя угол открытия перепускной заслонки. ЭБУ регулирует на основе данных из датчик давления наддува степень контроля вестгейта.
Интеркулер:
Температура сжатого воздуха может стать очень высокой (более 60 градусов Цельсия). Для лучшего сгорания воздух должен остыть. Интеркулер об этом позаботится. Интеркулер представляет собой отдельную деталь и поэтому подробно описан на другой странице; см. страницу интеркулер.
Характеристики компрессора (помпаж и дроссельная линия)
При проектировании двигателя необходимо учитывать размер турбины. Соответствие размера турбины двигателю называется «соответствием». Если турбонаддув слишком большой, произойдет большой «турбинный зазор». Турбо запускается медленнее, поскольку корпус турбины слишком велик для небольшого количества выхлопных газов. Только на более высоких скоростях турбонаддув будет набирать обороты и сможет создавать высокое давление. Если турбонаддув слишком мал, турбо-лаг практически отсутствует. Колесо турбины быстро запустится с небольшим количеством выхлопных газов. Высокое турбодавление достигается уже на низких оборотах. Недостаток заключается в том, что на более высоких скоростях количество выхлопных газов слишком велико для этой маленькой турбины. Выхлопных газов больше, чем может поместиться в турбину; в этом случае перепускная заслонка должна открыться раньше и отвести большое количество выхлопных газов. Отходы — это перевод слова «потеря», что также применимо и здесь; выхлопные газы, проходящие через перепускную заслонку, не способствовали работе турбонаддува.
Поэтому размер турбины очень важен для конструкции двигателя. При проектировании каждой турбине были присвоены характеристики компрессора. По характеристике компрессора можно определить, подходит ли он для конкретного двигателя. На изображении ниже показан пример характеристики компрессора.
Соотношение давлений P2/P1 (по оси Y) — это соотношение между впускным (P1) и выпускным отверстиями турбины (P2). Давление после турбинного колеса всегда ниже, чем раньше. (Безразмерный) коэффициент давления 2,0 означает, что давление перед турбинным колесом в два раза выше, чем после турбинного колеса. Коэффициент объемного расхода (по оси X) — это количество воздуха, проходящего через турбину. Изогнутые горизонтальные линии указывают скорость вала турбонаддува.
На рисунке видно, что красная линия — это линия помпажа, а синяя линия — линия дросселирования. Линия помпажа, также называемая пределом насоса, представляет собой предел, при котором скорость вращения колеса компрессора слишком низкая. Всплеск представляет собой ограничение воздушного потока из-за слишком маленького размера колеса компрессора. Степень сжатия слишком высока, а объемный расход слишком мал. Воздух больше не всасывается компрессором, поэтому он останавливается, а затем возобновляет свою скорость. Этот нестабильный поток воздуха вызывает колебания давления и пульсации во впускном тракте. Пульсацию еще называют «помпажом» компрессора. Отсюда и название «хирургия». Воздух, движущийся вперед и назад, вызывает большие силы, которые могут перегрузить турбину. Лопасти колеса компрессора могут сломаться, а подшипники перегрузиться.
Дроссельная линия — это еще один предел, который компрессору не следует превышать. Здесь максимальный объемный расход возникает при низком перепаде давлений. Диаметр корпуса компрессора определяет максимальный объемный расход. При превышении дроссельной линии колесо компрессора становится слишком маленьким, чтобы справиться с (большим) объемным расходом. В результате теряется значительная часть мощности двигателя. Дроссель также называют «дросселем сверхзакрутки».
На рисунке показана характеристика компрессора при частичной нагрузке двигателя. Двигатель должен иметь минимальный расход топлива при частичной нагрузке. Наименьший удельный расход топлива достигается при наименьшем острове. Перепускной клапан регулирует давление так, чтобы оно проходило прямо через средний остров. Первоначально вестгейт закрыт, поэтому давление турбонаддува увеличивается. Система управления двигателем открывает перепускную заслонку, как показано зеленой линией на изображении. Скорость турбовала составляет от 8000 до 9000 оборотов в минуту.
При езде в горах географическая высота увеличивается; воздух там разрежен. Это влияет на работу турбины, поскольку более разреженный воздух содержит меньше кислорода, что приводит к падению давления в компрессоре. Степень давления, включая скорость компрессора, должна увеличиться, чтобы достичь конечного давления наполнения. Эту ситуацию можно увидеть на рисунке.
Зеленая линия указывает на ситуацию с частичной нагрузкой при движении на уровне моря, а оранжевая линия — при движении в горах. Из-за более разреженного воздуха скорость компрессора увеличится до 100000 XNUMX оборотов в минуту.
Более высокая скорость компрессора также повысит температуру входящего воздуха, подаваемого в двигатель. Поэтому интеркулеру придется рассеивать больше тепла. Теперь разницу можно увидеть и в расходе топлива; В горах расход топлива увеличится из-за более высокого соотношения давлений P2/P1 и более высокой скорости турбонаддува.
Комбинация турбо и компрессора:
В настоящее время производители автомобилей все чаще предпочитают оснащать двигатель турбонаддувом и компрессором. Турбо часто имеет больший размер и оснащен перепускным клапаном. Компрессор служит для предотвращения турбо-лага; На низких оборотах двигателя компрессор создает давление наддува и запускает турбонаддув. На более высоких скоростях турбо берет на себя управление.
Сжатый воздух поступает через компрессор или перепускной клапан в турбину и через турбину через интеркулер во впускной коллектор.
Нажмите здесь, чтобы получить дополнительную информацию о компрессоре Roots.
Электронная турбина:
Обычная турбина страдает турболагом на низких оборотах, поскольку для приведения в движение колеса турбины необходимы выхлопные газы. Компрессор от этого не страдает и подает давление наддува уже с холостого хода. Сочетание этих двух вариантов кажется идеальным. Однако механический компрессор Рутса должен приводиться от коленчатого вала. В этом процессе теряется энергия. Поэтому производители автомобилей экспериментируют с несколькими турбинами, работающими на выхлопных газах, или электрическими турбинами, чтобы предотвратить турболаг турбины, работающей на выхлопных газах.
Электротурбина управляется блоком управления двигателем. Всего за 250 миллисекунд колесо компрессора достигает скорости не менее 70.000 XNUMX оборотов в минуту. Электродвигатель турбины приводит в движение колесо компрессора. Колесо компрессора подает всасываемый воздух под давлением к колесу компрессора турбины выхлопных газов. Колесо компрессора раскручивается очень быстро, когда электродвигатель является контролируемый.
Благодаря электрической турбине двигатель реагирует быстрее.На более высоких оборотах, когда турбина выхлопных газов способна обеспечить полное давление наддува, электронная турбина отключается.
