Принцип работы турбокомпрессора (турбины), его конструкция и типы

Принцип работы турбокомпрессора

Принцип работы любого турбокомпрессора основан на использовании энергии отработавших выхлопных газов двигателя внутреннего сгорания. Поток выхлопных газов попадает на колесо турбины (закреплённую на валу), тем самым раскручивая её и одновременно с этим раскручивая колесо компрессора, нагнетающего воздух в цилиндры двигателя.

Так как при использовании наддува воздух в цилиндры подаётся принудительно (под давлением), а не только за счёт разрежения, создаваемого поршнем (это разрежение способно взять только определённое количество смеси воздуха с топливом), то в двигатель попадает большая смесь воздуха с топливом. Как следствие, при сгорании увеличивается объём сгораемого топлива с воздухом, образовавшийся газ занимает больший объём и соответственно возникает большая сила, давящая на поршень.

Двигатели внутреннего сгорания, снабжённые турбокомпрессором, более производительные, т.е. меньше удельный эффективный расход топлива (грамм на киловатт-час, г/(кВт•ч)), и выше литровая мощность (мощность, снимаемая с единицы объёма двигателя — кВт/л), что даёт возможность увеличить мощность небольшого мотора без увеличения оборотов двигателя.

Вследствие увеличения массы воздуха, сжимаемой в цилиндрах, температура в конце такта сжатия заметно увеличивается и возникает вероятность детонации. Поэтому конструкцией двигателей с турбокомпрессором предусмотрена пониженная степень сжатия, применяются высокооктановые марки топлива, а также в системе предусмотрен промежуточный охладитель наддувочного воздуха (интеркулер) — радиатор для охлаждения воздуха.

Уменьшение температуры воздуха требуется также и для того, чтобы плотность его не снижалась вследствие нагрева от сжатия после турбины, иначе эффективность всей системы значительно упадёт. Особенно эффективен турбонаддув у дизельных двигателей тяжёлых грузовиков. Он повышает мощность и крутящий момент при незначительном увеличении расхода топлива.

Наиболее мощные (по отношению к мощности двигателя) турбокомпрессоры применяются на тепловозных двигателях. Например, на дизеле Д 49 мощностью 4000 л.с. установлен турбокомпрессор мощностью 1100 л.с.

Наибольшей (по абсолютной величине) мощностью обладают турбокомпрессоры судовых двигателей, которая достигает 7000 л.с. (двигатели Бурмайстер и Вайн).

Конструкция турбокомпрессора

1) Корпус компрессора
2) Средний корпус
3) Стопорные кольца
4) Хомут крепления среднего корпуса и корпуса турбины
5) Корпус турбины
6) Уплотнения
7) Колесо турбины
8) Подшипники скольжения
9) Аксиальный (упорный) подшипник
10) Колесо компрессора
11) Гайка колеса компрессора

Схематичное расположение турбокомпрессора (турбины) и сопутствующих ему патрубков и деталей на двигателе внутреннего сгорания.

Направление потока воздуха (показано стрелками):
1 – турбокомпрессор (турбина);
2 – воздушные патрубки;
3 – интеркуллер (радиатор охлаждения воздуха).

Турбокомпрессоры с изменяемой геометрией VNT

В настоящий момент многие фирмы, занимающиеся производством турбокомпрессоров («Garrett», «Holset», «KKK», «Hitachi», «Mitsubishi», «Schwitzer», «Toyota», «Borg Warner Turbo Systems», «IHI»), занимаются производством турбин с изменяемой геометрией. VNT система изменяет размер входного отверстия корпуса турбины в зависимости от скорости потока выхлопных газов.

При низких оборотах двигателя и небольшом потоке выхлопных газов, VNT система частично перекрывает входное отверстие турбины, увеличивая этим скорость потока выхлопных газов, создавая турбиной большее давление. При больших оборотах двигателя и большем потоке поступающих в корпус турбины выхлопных газов, VNT система увеличивает входное отверстие, поддерживая степень наддува двигателя на нужном уровне и защищая сам турбокомпрессор от чрезмерно высокой скорости вращения.

1) Колесо турбины
2) Лопатки, направляющие выхлопные газы на колесо турбины
3) Управляющее кольцо
4) Шток управления изменяемой геометрией
5) Колесо компрессора
6) Пневматический клапан управления турбиной (пневмопривод).

Изменением размера входного отверстия может управлять как сама величина давления в турбине, используя клапан давления, так и система управления двигателем, используя вакуумный клапан. А модели турбин VNT Multivane делают изменения за счёт использования многолопастной системы, поворачивающейся относительно оси турбинного колеса.

Преимущества систем VNT и AVNT (увеличение мощности)

• Турбины VNT и AVNT создают меньшее давление на выходе двигателя во всём диапазоне его оборотов, при той же степени наддува, что и обычные турбины, обеспечивая в результате больше мощности.
• Больший крутящий момент и лучший отклик.
• При низких оборотах двигателя модели с технологией VNT и AVNT разгоняют турбину быстрее и обеспечивают прирост степени наддува по сравнению с традиционными моделями.
• Это позволяет впрыскивать больше топлива и получать больший крутящий момент.
• Улучшение эффективности торможения
• Закрытие лопастей увеличивает давление на выходе двигателя, повышает степень наддува и приводит к значительному улучшению эффективности при торможении двигателем.
• Снижение расхода топлива и токсичности выхлопных газов
• Более низкое давление на выходе двигателя улучшает показатели расхода топлива за счёт уменьшения насосных потерь. Системы управления двигателем, путём выбора оптимальной степени наддува, ещё более снижают расход топлива и уровень токсичности выхлопных газов. В особенности на грузовых автомобилях AVNT может быть использована для управления рециркуляцией отработавших газов.

Турбокомпрессоры без изменяемой геометрии

Говоря об этом виде турбокомпрессоров (турбин), можно быть более кратким и сказать просто, что они не имеют тех преимуществ, что VNT-турбины, однако они до сих пор используются в силу многих причин: более простая конструкция, возможность их использования на бензиновых двигателях, где температура горения топлива значительно выше, чем на дизельных двигателях, а VNT механизм не стоек к высоким температурам, несмотря на то, что разработки в этом направлении ведутся и в настоящий момент можно встретить турбину с изменяемой геометрией на бензиновых двигателях и др.

Типы турбокомпрессоров

Современные турбокомпрессоры можно разделить на два основных типа: 1 — с изменяемой геометрией соплового аппарата (VNT турбокомпрессоры) и 2 — без геометрии. Все они в свою очередь могут быть моно, твинскролы (двойные турбины) и т.д.

В принципе турбокомпрессором (турбиной) может быть оснащён любой двигатель внутреннего сгорания: дизельный, бензиновый или работающий на газе. Турбокомпрессоры используются как на двигателях с большим рабочим объёмом (судовых, тепловозных и стационарных), так и на двигателях грузовых и легковых автомобилей и даже мотоциклах. Не имеет значения, идёт ли речь о двухтактном или о четырёхтактном двигателе.