Turbo

Предмети:

Операція
Турбо отвір
Подвійний турбо
Три-турбо
Twin Scroll Turbo
Турбо зі змінною геометрією
Скидний клапан
Wastegate
Інтеркулер
Характеристика компресора (помпаж і дросель)
Поєднання турбокомпресора
Електронний турбо

Операція:
Вихлопні гази, що виходять з циліндрів, подаються з випускного колектора в турбокомпресор. Тиск вихлопних газів змушує колесо турбіни обертатися (червоні гази). Потім вихлопні гази залишають турбонаддув через те саме турбінне колесо до вихлопу. Колесо компресора приводиться в рух за допомогою вала (блакитні гази). Колесо компресора всмоктує повітря збоку (де показано повітряний фільтр) і подає його під тиском (через синю стрілку) через турбо шланг до інтеркулер. Інтеркулер охолоджує стиснене повітря (двигун працює краще з холоднішим повітрям). Потім повітря надходить у впускний колектор.

При використанні турбонаддува більше повітря потрапляє в циліндри під час такту впуску, ніж у двигуні без наддуву, який втягується лише тому, що поршень рухається вниз. Подаючи таким чином більше повітря до циліндрів і додаючи більше палива, буде доступна більша потужність.

Тиск турбонаддува вимірюється датчик тиску заряду. Тиск турбонаддуву регулюється на основі сигналу, який цей датчик надсилає до ЕБУ.

Турбіна встановлюється максимально близько після випускного колектора. Іноді колектор і турбіна виконані як одне ціле. Турбіна повинна бути встановлена якомога ближче до головки блоку циліндрів, тому що швидкість вихлопних газів зменшується якомога менше і втрачається якомога менше тиску.

Турбо-лаг:
Старі турбомотори часто страждають від сумнозвісної турбозатримки. Турбіна працює на вихлопних газах двигуна. Якщо педаль акселератора натиснути до упору за один раз, двигун потребує багато повітря на низькій швидкості, але в цей момент турбо все одно має запуститися від вихлопних газів, які виділяються. Турбіна ще не забезпечує достатнього тиску. Тільки тоді, коли двигун досягає вищої швидкості, турбіна запускається належним чином. Зазвичай це відбувається при 2000 об/хв і помітно, оскільки автомобіль прискорюється сильніше.
Це турбовідставання розглядається як головний недолік. У результаті багато людей виступають за один механічний компресор. Це працює постійно, тому що приводиться в рух безпосередньо колінчастим валом і тому завжди з тією самою швидкістю, що й обертається двигун. Коли ви прискорюєтеся, компресор миттєво подає тиск із холостого ходу. Турбокомпресори, які сьогодні встановлюються в автомобілях, менше страждають від цього, частково завдяки змінній турбіні.

Подвійний турбонаддув:
Доповнення «твін-турбо» вказує на наявність двох турбодвигунів. Ці 2 турбомотори можуть бути розташовані поруч один з одним на 1 ряду циліндрів або по 1 турбіні на ряд циліндрів. Це дає перевагу водієві: більший крутний момент на низьких швидкостях, краща продуктивність у діапазоні високих швидкостей і більш плавний характер двигуна. На низьких швидкостях повітря подається до двигуна за допомогою малого турбіни, а на вищих швидкостях починає працювати більша турбіна. Більший турбонаддув має більшу затримку турбонаддуву, тому що йому потрібно більше повітря для запуску, але це компенсується маленьким турбонаддувом.

Чотири зображення нижче описують ситуації, в яких працюють обидва турбіни, або коли працює лише одна з двох. Чотири кола – це циліндри, червона та синя частини – вихлопні гази та вхідне повітря. Інтеркулер має маркування «IC».

Низькі оберти двигуна та низьке навантаження на двигун:
При швидкості нижче 1800 обертів на хвилину спостерігається невеликий об'ємний потік вихлопних газів. Невеликий об'єм дає можливість використовувати малу турбонаддув. Клапан між випускним колектором і великим турбонаддувом закритий. Тому вихлопні гази передаються лише від малого до великого турбіни. Великий турбонаддув уже набирає обертів. Це послідовне з'єднання, тому що використовуються обидва турбіни.

Середні оберти двигуна та помірне навантаження:
Між 1800 і 3000 обертами на хвилину відкривається клапан між випускним колектором і великим турбонаддувом. В даний час обидва турбіни приводяться в дію безпосередньо вихлопними газами двигуна. Це теж послідовне з'єднання, тому що використовуються обидва турбіни.

Висока швидкість двигуна і високе навантаження:
Понад 3000 обертів на хвилину об’ємний потік вихлопних газів стає занадто великим для маленького турбіни. Турбіна вимикається, щоб не перетинати так звану «дросельну лінію» (див. розділ «Характеристика компресора» нижче на сторінці). Перепускний клапан малої турбонаддуви відкривається, щоб усі вихлопні гази, що подаються до турбонаддува, проходили повз турбонаддув. Тоді вихлопні гази не досягають колеса компресора.
Великий турбомотор повністю забезпечується вихлопними газами. Клапан залишається відкритим, щоб великий турбонаддув міг розвивати високу швидкість і таким чином переміщати багато всмоктуваного повітря до впускного колектора.

Три-турбо:
В даний час випускаються і двигуни «три-турбо». На цих двигунах встановлено три турбонаддуви, що дозволяє досягти максимального рівня наповнення в кожному діапазоні швидкостей. BMW використовує технологію tri-turbo, серед іншого, у M550d. Дві маленькі турбомотори використовують змінну геометрію, тому вони підходять як для низьких, так і для високих швидкостей. Залежно від швидкості турбонаддув регулюється для кращого відгуку. У великому турбіні використовується перепускний клапан.
Нижче описано дві ситуації, які вказують на те, яка турбіна працює в який час.

Низькі оберти двигуна та мале навантаження:
Приводиться лише один із двох маленьких турбін. Завдяки розміру турбіни він швидко намотується. Малий турбонаддув пропускає вихлопні гази до великого турбонаддува. Це вже запустить великий турбо.

Середні та високі оберти двигуна та навантаження:
Обидва малі турбіни є приводними. Дві маленькі турбонаддуви приводять у рух велику турбонаддув. Таким чином досягається максимальний тиск наддуву на всіх середніх і високих швидкостях.

Twin Scroll Turbo:
Коли кілька вихлопних газів збираються у випускному колекторі, можуть виникнути проблеми з перешкодами; хвилі тиску перешкоджають одна одній. У турбіні Twin-scroll вихлопні гази відокремлюються один від одного та спрямовуються в турбомотор двома каналами. Вихлопні гази циліндрів 1 і 2 не збираються разом у впускний колектор, а вдаряються в колесо турбіни незалежно один від одного. Застосування турбіни Twin-scroll забезпечує швидшу реакцію на дросельну заслінку та вищу ефективність. На зображенні нижче показано, що вихлопні гази з циліндрів 1 і 4 збираються разом, а гази з 2 і 3 — разом.

У звичайному турбіні вихлопні гази контактують один з одним у випускному колекторі. Ми називаємо це «втручанням». На зображенні нижче показано імпульси тиску, створені у випускному колекторі одного циліндра.

Оскільки ми маємо справу з перекриттям клапанів (впускний і випускний клапани відкриті під час переходу від такту випуску до такту впуску), також створюється негативний тиск (нижчий за атмосферний). Завдяки перекриттю клапанів вихлопні гази допомагають втягувати свіже повітря в камеру згоряння та відганяти залишки вихлопних газів. Це забезпечує гребінку згоряння більшою кількістю кисню, що підвищує об’ємну ефективність.

Коли ми дивимося на тиск у випускному колекторі чотирициліндрового двигуна, ми бачимо багато перешкод. Кожен позитивний імпульс стає менш високим через негативний тиск через перекриття клапана. Це недолік турбозатримки (час реакції на намотування)

Використання турбонаддува Twin-scroll покращує час відгуку, оскільки вихлопні гази з циліндрів 1+4 і 2+3 розділені. Імпульси набагато сильніші, оскільки в цей момент на них не впливають негативні імпульси. Тому виробник також може збільшити час перекриття клапанів, щоб досягти ще більшої об’ємної ефективності.

Турбо зі змінною геометрією:
Турбіна з вестгейтом страждає від турбозатримки; Лише коли двигун обертається на певну кількість обертів, турбіна отримує достатню кількість вихлопних газів, щоб почати роботу. Турбіна зі змінною геометрією не має перепускного клапана, але має регульовані лопаті у вихлопному каналі. Ці леза можна регулювати, повертаючи регулювальне кільце. Це регулювальне кільце обертається за допомогою вакууму. Необхідна величина розрідження забезпечується електромагнітним клапаном (електромагнітним клапаном) залежно від навантаження двигуна та частоти обертання двигуна, якими керує ECU.
Регулюючи лопаті, можна спрямувати потік повітря. Завдяки зміні повітряного потоку турбіна вже може працювати на вищій швидкості на низьких обертах двигуна, включаючи нижчий тиск вихлопних газів. Положення лопатей обмежує кількість вихлопних газів, які можуть надходити. Для того, щоб мати можливість працювати на вищих швидкостях, лопаті будуть регулюватися всередину при вищих обертах двигуна. Високий тиск наповнення може бути досягнутий як на низькій, так і на високій швидкості. Це забезпечує оптимальну роботу турбіни в широкому діапазоні обертів, оскільки двигун отримуватиме той самий тиск наддуву на низькій швидкості, як і на вищій.

Скидний клапан:
Зливний клапан також називають «продувним клапаном». Скидний клапан встановлений на шлангу турбонаддува, де повітря подається від турбонаддува до впускної частини двигуна. При розгоні турбомотор легкового автомобіля може досягати 200.000 XNUMX обертів за хвилину. На цій швидкості досягається максимальний тиск заряду. Коли педаль акселератора відразу відпускається, на стороні впуску двигуна створюється великий тиск повітря, але дросельна заслінка закрита.

Без розвантажувального клапана створюється протитиск до турбонаддува, що змушує наддувне повітря швидко зменшувати швидкість турбонаддува. Коли ви знову прискорюєтеся, потрібно багато часу, щоб турбонаддув відновив швидкість. Скидний клапан запобігає цьому. Коли газ випускається, він видує певну кількість повітря, що подається. Тоді надлишок повітря зникає з впускної системи. Лопаті турбонаддува не сповільнюються, тому вони запускаються швидше, коли педаль газу знову прискорюється. Зливний клапан закривається відразу після видалення повітря, що подається. Всупереч тому, що думають багато людей, скидний клапан не забезпечує більшої потужності.
Зливний клапан викликає типовий звук продувки, коли газ випускається під час прискорення в автомобілі з турбонаддувом.

Wastegate:
Перепускний клапан встановлений на кожній турбіні без змінних лопаток. Перепускний клапан гарантує, що тиск у корпусі турбіни (тобто на стороні випуску) не стає надто високим. Коли турбіна працює і тиск зростає, перепускна кришка закрита. Усе повітря, яке виходить із циліндрів під час такту вихлопу, фактично використовується для приводу турбінного колеса. При цьому досягається максимальний тиск заповнення.
Однак на холостому ході тиск наддуву не потрібен. У цей момент відкривається перехідний люк. Частина вихлопних газів відводиться у вихлоп; він може текти безпосередньо до вихлопу. Перепускний клапан — це, по суті, клапан між випускним колектором і вихлопом двигуна; все повітря, що проходить через перепускний клапан, не проходить через турбо. Таким чином, доступна енергія в принципі не використовується. Тому назву вестгейту можна пояснити; «Відходи» англійською означає «втрата».
Перепускний клапан також відкривається при досягненні певної швидкості; Під час прискорення турбіна повинна швидко прискорюватися, але коли турбіна, включаючи колесо компресора, досягає певної швидкості, цю швидкість потрібно підтримувати постійною. Відкриваючи перепускний клапан на такій швидкості, надлишок вихлопних газів можна направляти безпосередньо до вихлопу. Швидкість турбонаддува можна контролювати, регулюючи кут відкривання вестгейта. ECU регулює на основі даних з датчик тиску заряду ступінь контролю перепускного клапана.

Інтеркулер:
Температура стисненого повітря може стати дуже високою (більше 60 градусів Цельсія). Для кращого горіння повітря має охолонути. Про це подбає інтеркулер. Інтеркулер є окремою частиною і тому детально описаний на іншій сторінці; перегляньте сторінку інтеркулер.

Характеристика компресора (помпаж і дросель)
При проектуванні двигуна необхідно враховувати розмір турбонаддува. Відповідність розміру турбіни двигуну називається «відповідністю». Якщо турбонаддув занадто великий, виникне великий «турборозрив». Турбіна запускатиметься менш швидко, оскільки корпус турбіни завеликий для низької кількості вихлопних газів. Лише на вищих швидкостях турбонаддув працюватиме на належному рівні та зможе створювати високий тиск. Якщо турбо надто малий, затримки турбонаддуву майже не буде. Турбінне колесо швидко запуститься з невеликою кількістю вихлопних газів. Високий турбо тиск досягається вже на низьких швидкостях. Недоліком є те, що на вищих швидкостях кількість вихлопних газів занадто велика для цього маленького турбіни. Вихлопних газів більше, ніж може вмістити турбо; у цьому випадку перепускний клапан повинен відкриватися раніше і відводити багато вихлопних газів. Waste – це переклад «втрати», що також застосовується тут; вихлопні гази, що протікають через перепускний клапан, не сприяли приводу турбонаддуву.
Тому розмір турбіни дуже важливий для конструкції двигуна. Під час проектування кожній турбіні було надано характеристику компресора. За характеристикою компресора можна визначити, чи підходить він для конкретного двигуна. На зображенні нижче показано приклад характеристики компресора.

Співвідношення тиску P2/P1 (на осі Y) є співвідношенням між входом (P1) і випуском турбіни (P2). Тиск після турбінного колеса завжди нижче, ніж раніше. Коефіцієнт тиску (безрозмірний) 2,0 означає, що тиск перед турбінним колесом вдвічі вищий, ніж після турбінного колеса. Коефіцієнт об’ємної витрати (на осі Х) – це кількість повітря, що проходить через турбокомпресор. Вигнуті горизонтальні лінії вказують на швидкість турбовала.

На малюнку показано, що червона лінія – це лінія перенапруги, а синя – лінія дроселя. Лінія викиду, яку також називають межею насоса, є межею, коли швидкість колеса компресора занадто низька. Надмірна лінія — це обмеження повітряного потоку через занадто мале колесо компресора. Коефіцієнт тиску занадто високий, а об’ємний потік занадто низький. Повітря більше не всмоктується компресором, тому він зупиняється, а потім відновлює свою швидкість. Цей нестабільний потік повітря викликає коливання тиску та пульсації у впускному тракті. Пульсування також називають «помпанням» компресора. Звідси і назва «surgeline». Повітря, що тече вперед і назад, створює великі сили, які можуть перевантажити турбонаддув. Лопаті коліс компресора можуть зламатись, а підшипники перевантажуватимуться.
Дросель — це ще одна межа, яку компресор не повинен перевищувати. Тут максимальна об'ємна витрата виникає при низькому коефіцієнті тиску. Діаметр корпусу компресора визначає максимальну об'ємну витрату. Коли дросель перевищено, компресорне колесо замале для обробки (більшого) об’ємного потоку. В результаті втрачається значна потужність двигуна. Дроссельну лінію також називають «дросельною дросельною стрільбою над обертанням».

На малюнку показана характеристика компресора з двигуном при частковому навантаженні. Двигун повинен мати найменшу витрату палива при частковому навантаженні. Найменша питома витрата палива досягається при найменшому острові. Перепускний клапан регулює тиск так, щоб він проходив прямо через середній острів. Спочатку перепускний клапан закритий, щоб збільшити тиск турбонаддуву. Система керування двигуном відкриває перепускний клапан, як показано зеленою лінією на зображенні. Швидкість турбовала становить від 8000 до 9000 обертів на хвилину.

При русі в горах є більша географічна висота; там повітря розріджене. Це впливає на роботу турбіни, оскільки розріджене повітря містить менше кисню, що спричиняє падіння тиску в компресорі. Коефіцієнт тиску, включаючи швидкість компресора, має збільшуватися, щоб досягти кінцевого тиску наповнення. Цю ситуацію можна побачити на малюнку.

Зелена лінія вказує на часткове навантаження під час руху на рівні моря, а помаранчева лінія – під час руху в горах. Завдяки розрідженню повітря швидкість компресора збільшиться до 100000 XNUMX обертів на хвилину.
Вища швидкість компресора також підвищить температуру вхідного повітря, що подається до двигуна. Тому інтеркулер повинен буде відводити більше тепла. Тепер різницю також можна побачити у споживанні палива; У горах споживання палива збільшиться через вищий коефіцієнт тиску P2/P1 і більшу швидкість турбонаддуву.

Поєднання турбокомпресора:
Зараз виробники автомобілів все частіше вирішують оснащувати двигун турбонаддувом і компресором. Турбіна часто має більший розмір і оснащена спускним затвором. Компресор служить для запобігання турбозатримки; На низьких обертах двигуна компресор створює тиск наддуву і запускає турбонаддув. На вищих швидкостях турбо бере верх.
Стиснене повітря надходить через компресор або перепускний клапан до турбіни, а через турбонаддув — через інтеркулер до впускного колектора.

Натисніть тут, щоб дізнатися більше про компресор Roots.

Електронний турбонаддув:
Звичайний турбонаддув страждає від турбозатримки на низьких швидкостях, оскільки вихлопні гази потрібні для приводу колеса турбіни. Компресор від цього не страждає і створює тиск наддуву з холостого ходу. Поєднання двох здається ідеальним. Однак механічний компресор Roots повинен приводитися в рух колінчастим валом. У цьому процесі втрачається енергія. Тому виробники автомобілів експериментують із декількома турбонаддувами на вихлопних газах або електричними турбонаддувами, щоб запобігти затримці турбонаддуву турбонаддува на вихлопних газах.

Електричним турбонаддувом керує блок керування двигуном. Всього за 250 мілісекунд колесо компресора досягає швидкості не менше 70.000 XNUMX обертів на хвилину. Електродвигун у турбіні приводить в дію колесо компресора. Колесо компресора переміщує всмоктуване повітря під тиском до колеса компресора турбокомпресора вихлопних газів. Колесо компресора обертається дуже швидко, коли електродвигун є контрольовані.

Завдяки електричному турбонаддуву двигун швидше реагує.На вищих швидкостях, коли турбонаддув вихлопних газів здатний забезпечити повний тиск наддуву, електронний турбонаддув вимикається.