Турбины для автомобилей виды
Как выбрать турбину для авто
Турбина способствует увеличению плотности воздуха, который поступает в двигатель автомобиля, обеспечивая тем самым возможность сжигания большего количества топлива. Чем больше сгорает топлива, тем больше возникает энергии от процесса сгорания, и соответственно создается больший момент.
Преимущество турбовых двигателей заключается в том, что имеется возможность значительно увеличить давление.
Турбина имеет в своем составе два основных элемента, которыми являются непосредственно сама турбина и компрессор. Выпускной газ воздействует на крыльчатку, а именно раскручивает ее, проходя через турбину. Вращение крыльчатки, которая представляет собой вентилятор в корпусе турбины, передается в другую часть устройства — компрессору. Компрессорный вентилятор нагнетает воздух в область двигателя.
Как уже можно было догадаться, чем большим будет давление, тем большее количество воздуха будет поступать в мотор. Однако бесконечное увеличение давления в двигателе, без возникновения проблем, просто невозможно. В том случае, если турбина работает в усиленном режиме, возникает лишнее тепло, обратное давление и пульсация, что может привести к появлению трещины на корпусе турбины, сокращению срока службы подшипников, протечке масла и даже повреждению двигателя. Поэтому давление должно увеличиваться, не злоупотребляя этим.
Стандартный вариант замены турбины заключается в монтаже высокопоточного компрессора, а также в некоторых случаях и увеличенной крыльчатки турбины. Это позволяет достичь обратного эффекта, который заключается в том, что уровень воздействия выпускных газов на турбину будет снижен, что способствует в свою очередь снижению ее скорости и давления на начальном этапе раскручивания. Чаще всего, корпуса турбины и компрессора могут быть заменены на большие размеры, что открывает возможность для пропуска более значительного количества газа.
Однако следует не забывать, что для отдельной модели автомобиля, турбина была подобрана производителем. Это означает, что им было предусмотрено правильное соответствие диаметра выхода и входа, а именно их размеры. Но в последнее время большим спросом стали пользоваться «гибридные» турбины. Стоит понимать, что такой вид турбины неспособен обеспечить такую же мощность, как стандартная турбина.
В большей части турбин используются 180-градусные упорные подшипники, которые располагаются в корпусе. Такой подшипник отлично справляется со своими функциями при воздействии нормального давления, однако при повышении уровня давления быстро поддается изнашиванию. Данную проблему способен решить 360-градусный подшипник, который увеличивает надежность и срок эксплуатации самой турбины.
Возможная замена
Если владелец автомобиля располагает небольшим бюджетом, то для него оптимальным вариантом могут стать японские б/у запчасти, которые предлагаются в большом ассортименте и размерах. В этом случае ориентиром должен быть объем двигателя, по размерам которого и должна подбираться турбина.
Современные турбины
При изготовлении современных турбин, очень часто используют керамический материал, который обладает меньшей плотностью, в отличие от стали, что позволяет уменьшать инерцию и быстрее раскручивать турбину. Большая часть современных турбин изготавливаются из сплава, в основу которого входит никель. Турбины из керамики часто устанавливались на старые модели Ниссанов (запчасти для современных моделей Ниссанов, например, для Ниссан Кашкай смотрите здесь). А все потому, что именно этот производитель первым обнаружил тот факт, что керамика положительно воздействует на турбину. Однако данный материал, наиболее чувствителен к воздействиям неблагоприятных элементов, которые поступают из выпускного коллектора. Также такие турбины могут повреждаться от ударов, поэтому их лучше не ронять.
Шариковые подшипники
Цель использования шариков заключается в достижении уменьшения уровня трения, а значит увеличения силы выпуска. И опять же, первенцем в достижении таких показателей стал Ниссан.
Турбины Garrett шарикоподшипникового или роллерного типа отличаются шестью болтами на корпусе. Этот производитель является лидером шарикоподшипниковых турбин, и снабжает своей продукцией многие знаменитые фирмы.
Турбины с раздвоенным пульсом
Данный вид турбин имеет раздельные пути, которые ведут к турбине, что приводит к улучшению отдачи. Турбины с двойным выходом сегодня доступны от многих компаний, предлагающих тюнинговые услуги.
Перепускные клапана
Целью перепускного клапана является пуск некоторой части выпускного газа в турбинный обход, что способствует ограничению скорости вращения самой турбины, и, следовательно, давления на выпускном коллекторе. Перепускные клапаны бывают внутренними и внешними. На большей части турбин используют внутренние клапаны. Они обеспечивают ограниченный поток воздуха проходящего по турбине, что предотвращает повреждение двигателя.
Внешние клапаны устанавливаются в отдельности от турбины.
О видах турбонадува
Всем всего, после опубликования статьи о турбинах, многие интересовались вопросами о разновиднастях надува, и общего описания систем, в целом я решил закрыть этот недостаток статьи и рассказать Вам об основных видах надува и так начнем.
Би-турбо (Bi-turbo) и Твин-турбо (twin-turbo)
Вопреки убеждениям некоторых «экспертов» название системы битурбо или твинтурбо не отображают схему работы турбины – параллельную или последовательную (секвентальную).
Например, у автомобиля Mitsubishi 3000 VR-4 система турбонаддува носит название TwinTurbo. В автомобиле стоит двигатель V6 и у него две турбины, каждая из которых использует энергию выхлопных газов из своих трех цилиндров, но задувают они в один общий впускной коллектор. У, например, немецких автомобилей есть схожие по рабочему принципу системы, но называются они не твинтурбо, а БиТурбо.
На автомобиле Toyota Supra с рядной шестеркой установлены две турбины, система турбонаддува называется TwinTurbo, но работают они в особой последовательности, включаясь и выключаясь с помощью специальных перепускных клапанов.
На автомобиле Subaru B4 тоже стоят две турбины, но работают они последовательно: на низких оборотах дует маленькая турбина, а на высоких, когда та не справляется, подключается вторая турбина большего размера.
Давайте теперь по порядку разберем обе системы би-турбо и твинтурбо.
Би-турбо – система турбонаддува, представляющая собой две последовательно включаемых в работу турбин. В системе би-турбо используют две турбины, одну малого размера, а вторую большего размера. Маленькая турбина раскручивается быстрее, но на высоких оборотах двигателя маленькая турбина не может справиться с компрессией воздуха и созданием нужного давления. Тогда подключается большая турбина, добавляющая мощный заряд сжатого воздуха. Следовательно, минимизируется задержка (или турболаг), образуется ровная разгонная динамика. Системы би-турбо весьма не дешевое удовольствие и обычно устанавливаются на автомобили высокого класса.
Система би-турбо может быть установлена как на двигатель V6, где каждая турбина будет установлена со своей стороны, но с общим впуском. Либо на рядном моторе, где установка турбины осуществляется по цилиндрам (напр, 2 для малой и 2 для больщой турбины), так и секвентально, когда на выпускном коллекторе сначала устанавливается большая трубина, а потом маленькая.
Твин-турбо – данная система отличается от би-турбо тем, что нацелена не на снижения турбо-лага или выравнивание разгонной динамики, а на увеличение производительности. В системах твин-турбо применяются две одинаковые турбины, соответственно производительность такой системы турбонаддува эффективней, чем системы с одной турбиной. К тому же, если применить 2 небольших турбины, схожих по производительности с одной большой, то можно снизить нежелаемый турболаг. Но это не значит, что никто не использует две больших турбины. Например, в серьезном драге могут использоваться две больших турбины для еще большей производительности. Система твин-турбо может работать как на V-образных моторах, так и на рядных. Последовательность включения турбин может варьироваться, как и на битурбо системах.
А вообще для еще большего веселья никто вам не мешает воткнуть сразу 3 турбины или более. Цель преследуется такая же, как и для твин-турбо.
Бывает три вида систем твин турбо и би-турбо а именно:
1) Параллельный тип:
Параллельная система работает одновременно и параллельно друг другу, и включает в себя два одинаковых турбокомпрессора. Параллельная работа происходит из-за ровного деления потока сгоревших газов между турбокомпрессорами. Из каждого компрессора выходит сжатый воздух и поступает в общий впускной коллектор, и потом распределяется по цилиндрам. Параллельный используется, как правило, на дизельных V-образных двигателях. Из-за параллельной схемы турбонаддува эффективность системы основывается на том, что две маленькие турбины имеют меньшую инерционность, чем одна большая турбина. Турбокомпрессоры работают на всех оборотах двигателях обеспечивая быстрое повышение наддува. И каждая турбина установлена на своём выпускном коллекторе.
В системе последовательного Twin Turbo постоянно работает первый турбокомпрессор, а второй начинает работать в определённом порядке работы двигателя (повышенная частота оборотов, нагрузка). Последовательный турбокомпрессор включает два одинаковых по характеристикам турбокомпрессора.
Электронная система управления обеспечивает переход между режимами и регулирует поток сгоревших газов ко второму турбокомпрессору за счёт специального клапана.
Чтобы достичь максимально высокого выхода мощности, система последовательности Twin Turbo минимизирует последствия турбозадержки. Применяются, как на дизельные двигатели, так и на бензиновые. В 2011 году была представлена система с тремя последовательными турбокомпрессорами компанией BMW и называется она Triple Turbo.
Хотелось бы немного рассказать о системе надува bmw triple turbo на дизеле, а именно как работают там турбины:
Одна из малых турбин начинает работать прямо с холостых, устраняя эффект турбоямы, с ростом оборотов до 1500 в минуту в дело включается большой нагнетатель, вместе с которым достигается пиковая тяга в 740 Нм. На 2700 оборотах в минуту подключается третья турбина, чтобы пиковый крутящий момент не упал вплоть до 3000 об/мин.
Помимо последовательного наддува в автомобилях применяются и более сложные схемы с большим количеством нагнетателей. К примеру, в нашумевшем Бугатти Вейрон, для получения мощности в 1001 лошадиную силу на двигателе стоит 4 турбонагнетателя.
В техническом плане система двухступенчатого турбонаддува является самой совершенной.
В системе двухступенчатого турбонаддува используется клапанное регулирование потока сгоревших газов и нагнетаемого воздуха. Эта система состоит из двух турбокомпрессоров разного размера. В последствии установленных в впускном и выпускном трактах.
Перепускной клапан сгоревших газов закрыт при низких оборотах двигателя. Сгоревшие газы через малый турбокомпрессор, имея максимальную отдачу и минимальную инерцию проходят дальше через большой турбокомпрессор. И так как давление отработавших газов не сильное, то следовательно и большая турбина практически не вращается. Перепускной клапан наддува закрыт на впуске и воздух поступает последовательно через большой и малый компрессоры.
Общая работа турбокомпрессоров начинает осуществляться при росте оборотов. И постепенно начинает открываться перепускной клапан сгоревших газов. Большая турбина начинает все больше и интенсивно раскручиваться, так как часть отработавших газов идёт прямо через неё.
Большой турбокомпрессор на впуске с определённым давлением начинает сжимать воздух, но давление не слишком большое и сжатый воздух дальше поступает в малый турбокомпрессор, где продолжает повышается давление. При этом перепускной клапан остаётся закрыт. Перепускной клапан сгоревших газов открывается полностью при полной нагрузки. Останавливается малая турбина, а большая начинает раскручиваться до максимальной частоты, так как через неё практически полностью проходят сгоревшие газы. Давление наддува достигает своего максимального значения на впуске большого компрессора при этом малый компрессор создаёт помеху для воздуха. И в определённый момент перепускной клапан наддува открывается и сжатый воздух непосредственно напрямую поступает к двигателю.
Благодаря системе двухступенчатых турбокомпрессоров мгновенно достигается номинальный крутящий момент и поддерживается в широком диапазоне оборотов двигателя. При этом достигается максимальное увеличение мощности. Таким образом, система поддерживает блестящую работу турбокомпрессоров на всех режимах работы двигателя. Так же система объясняет известное противостояние дизельных двигателей между предельной мощностью на высоких оборотах и высоким крутящим моментом на низких оборотах.
И немного о других видах турбин.
Турбокомпрессоры с изменяемой геометрией VTG (Variable Geometry Turbine)
Первым VNT (Variable Nozzle Turbine) турбокомпрессором с изменяемой геометрией в 1995 году стал турбокомпрессор для Фольксвагена Multivane с 1,9 литровым двигателем TDI. Принцип действия VNT турбокомпрессора заключается в оптимизации потока выхлопных газов, направляемых на крыльчатку турбины. На низких оборотах двигателя и малом количестве выхлопных газов VNT турбокомпрессор направляет весь поток выхлопных газов на колесо турбины, тем самым увеличивая ее мощность и давление наддува (на рисунке слева). При высоких оборотах и высоком уровне газового потока турбокомпрессор VNT располагает подвижные лопатки в открытом положении, увеличивая площадь сечения и отводя часть выхлопных газов от крыльчатки, защищая себя от превышения оборотов и поддерживая давление наддува на необходимом двигателю уровне, исключая перенаддув.
Двигатель с системой VNT, имеет лучший отклик, производит большую мощность и крутящий момент, потребляет меньше топлива и обеспечивает снижение вредных выбросов по сравнению с двигателем, связанным с турбокомпрессором традиционным байпасом. Благодаря короткому времени отклика и плавному ускорению улучшается управляемость машиной и срок ее службы. По сравнению с турбокомпрессором, оборудованным байпасом, турбокомпрессор VNT, более эффективный в более широком диапазоне величин потока, имеет следующие 3 основных преимущества:
1)Более высокая мощность: при определенной скорости двигателя и для заданного давления наддува модели VNT обеспечивают большую разность давлений и снижают температуру газов на выходе из двигателя.
2)Больший крутящий момент: при низких оборотах двигателя модели VNT обеспечивают повышенное давление наддува.
3)Экономия топлива и снижение выброса вредных веществ в атмосферу: контролируемые непосредственно системой управления двигателем, турбокомпрессоры VNT оптимизируют сгорание.
a. корпус турбины
b. крыльчатка для отработанных газов
c. корпус турбокомпрессора
e. ось рычага смещения регулируемого кольца
f. регулируемое кольцо
g. оси направляющих лепестков
h. направляющие лепестки
Основной проблемой VNT турбокомпрессора является недостаточная устойчивость конструкции к высоким температурам. По этой причине основным местом применения технологии VNT стали дизельные двигатели. Первой «ласточкой» в применении турбины с изменяемой геометрией на бензиновых двигателях стала компания Porsche.
Один из вариантов решения проблемы ”турбоямы”- турбина с двумя крыльчатками, называемая Twin-Scroll. Одна из крыльчаток (чуть большего размера) принимает выхлопные газы от одной половины цилиндров двигателя, вторая (чуть меньшего размера) — от второй половины цилиндров. Обе подают газы на одну и ту же турбину, эффективно раскручивая её, как на низких, так и на высоких оборотах.
Есть еще так-же турбо-компрессорные двигатели но о них мы поговорим в другой раз.
Пожалуй на этом Все, как всегда все собрано, допилено, дополнено и частично переведено мной(RastaBeat).
Как всегда оценивать данную статью Вам если она Вам нравится или показалась интересной не поленитесь нажать на кнопочку «мне нравится«, Всем спасибо за внимание, любые вопросы по авто Вы как и прежде можете писать мне в личку стараюсь помогать всем.
Что такое турбонаддув
Такая вот небольшая с виду «улитка» — один из самых действенных способов увеличить мощность двигателя.
Несомненно, каждый из нас хоть раз в жизни замечал на обычном с виду автомобиле шильдик «turbo». Производители, как нарочно, делают эти шильдики небольшого размера и размещают в неприметных местах так, что непосвящённый прохожий не заметит и пройдёт мимо. А понимающий человек непременно остановится и заинтересуется автомобилем. Ниже приводится рассказ о причинах такого поведения.
Автомобильные конструкторы (с момента появления на свете этой профессии) постоянно озабочены проблемой повышения мощности моторов. Законы физики гласят, что мощность двигателя напрямую зависит от количества сжигаемого топлива за один рабочий цикл. Чем больше топлива мы сжигаем, тем больше мощность. И, скажем, захотелось нам увеличить «поголовье лошадей» под капотом — как это сделать? нас и поджидают проблемы.
Дело в том, что для горения топлива необходим кислород. Так что в цилиндрах сгорает не топливо, а топливно-воздушная смесь. Мешать топливо с воздухом нужно не на глазок, а в определённом соотношении. К примеру, для бензиновых двигателей на одну часть топлива полагается частей воздуха — в зависимости от режима работы, состава горючего и прочих факторов.
Как мы видим, воздуха требуется весьма много. Если мы увеличим подачу топлива (это не проблема), нам также придётся значительно увеличить и подачу воздуха. Обычные двигатели засасывают его самостоятельно разницы давлений в цилиндре и в атмосфере. Зависимость получается прямая — чем больше объём цилиндра, тем больше кислорода в него попадёт на каждом цикле. Так и поступали американцы, выпуская огромные двигатели с умопомрачительным расходом горючего. А есть ли способ загнать в тот же объём больше воздуха?
Есть, и впервые придумал его господин Готтлиб Вильгельм Даймлер (Gottlieb Wilhelm Daimler). Знакомая фамилия? Ещё бы, именно она используется в названии DaimlerChrysler. Так вот, этот немец весьма неплохо соображал в моторах и ещё в 1885 году придумал, как загнать в них больше воздуха. Он догадался закачивать воздух в цилиндры с помощью нагнетателя, представлявшего собой вентилятор (компрессор), который получал вращение непосредственно от вала двигателя и загонял в цилиндры сжатый воздух.
Швейцарский инженер-изобретатель Альфред Бюхи (Alfred J. Büchi) пошёл ещё дальше. Он заведовал разработкой дизельных двигателей в компании Sulzer Brothers, и ему категорически не нравилось, что моторы были большими и тяжёлыми, а мощности развивали мало. Отнимать энергию у «движка», чтобы вращать приводной компрессор, ему также не хотелось. Поэтому в 1905 году господин Бюхи запатентовал первое в мире устройство нагнетания, которое использовало в качестве движителя энергию выхлопных газов. Проще говоря, он придумал турбонаддув.
Идея умного швейцарца проста, как всё гениальное. Как ветра вращают крылья мельницы, также и отработавшие газы крутят колесо с лопатками. Разница только в том, что колесо это очень маленькое, а лопаток очень много. Колесо с лопатками называется ротором турбины и посажено на один вал с колесом компрессора. Так что условно турбонагнетатель можно разделить на две части — ротор и компрессор. Ротор получает вращение от выхлопных газов, а соединённый с ним компрессор, работая в качестве «вентилятора», нагнетает дополнительный воздух в цилиндры. Вся эта мудрёная конструкция и называется турбокомпрессор (от латинских слов turbo — вихрь и compressio — сжатие) или турбонагнетатель.
В турбомоторе воздух, который попадает в цилиндры, часто приходится дополнительно охлаждать — тогда его давление можно будет сделать выше, загнав в цилиндр больше кислорода. Ведь сжать холодный воздух (уже в цилиндре ДВС) легче, чем горячий.
Воздух, проходящий через турбину, нагревается от сжатия, а также от деталей турбонаддува, разогретого выхлопными газами. Подаваемый в двигатель воздух охлаждают при помощи так называемого интеркулера (промежуточный охладитель). Это радиатор, установленный на пути воздуха от компрессора к цилиндрам мотора. Проходя через него, он отдаёт своё тепло атмосфере. А холодный воздух более плотный — значит, его можно загнать в цилиндр ещё больше.
Чем больше выхлопных газов попадает в турбину, тем быстрее она вращается и тем больше дополнительного воздуха поступает в цилиндры, тем выше мощность. Эффективность этого решения по сравнению, например, с приводным нагнетателем в том, что на «самообслуживание» наддува тратится совсем немного энергии двигателя — всего 1,5%. Дело в том, что ротор турбины получает энергию от выхлопных газов не за счёт их замедления, а за счёт их охлаждения — после турбины выхлопные газы идут быстро, но более холодные. Кроме того, затрачиваемая на сжатие воздуха даровая энергия повышает КПД двигателя. Да и возможность снять с меньшего рабочего объёма большую мощность означает меньшие потери на трение, меньший вес двигателя (и машины в целом). Всё это делает автомобили с турбонаддувом более экономичными в сравнении с их атмосферными собратьями равной мощности. Казалось бы, вот оно, счастье. Ан нет, не всё так просто. Проблемы только начались.
По этим причинам турбонаддув получил широкое распространение только во время Второй мировой войны, да и то только в авиации. В годах американская компания Caterpillar сумела приспособить его к своим тракторам, а умельцы из Cummins сконструировали первые турбодизели для своих грузовиков. На серийных легковых машинах турбомоторы появились и того позже. Случилось это в 1962 году, когда почти одновременно увидели свет Oldsmobile Jetfire и Chevrolet Corvair Monza.
Но сложность и дороговизна конструкции — не единственные недостатки. Дело в том, что эффективность работы турбины сильно зависит от оборотов двигателя. На малых оборотах выхлопных газов немного, ротор раскрутился слабо, и компрессор почти не задувает в цилиндры дополнительный воздух. Поэтому бывает, что до трёх тысяч оборотов в минуту мотор совсем не тянет, и только потом, тысяч после четырёх-пяти, «выстреливает». Эта ложка дёгтя называется турбоямой. Причём чем больше турбина, тем она дольше будет раскручиваться. Поэтому моторы с очень высокой удельной мощностью и турбинами высокого давления, как правило, страдают турбоямой в первую очередь. А вот у турбин, создающих низкое давление, никаких провалов тяги почти нет, но и мощность они поднимают не очень сильно.
Почти избавиться от турбоямы помогает схема с последовательным наддувом, когда на малых оборотах двигателя работает небольшой малоинерционный турбокомпрессор, увеличивая тягу на «низах», а второй, побольше, включается на высоких оборотах с ростом давления на выпуске. В прошлом веке последовательный наддув использовался на суперкаре Porsche 959, а сегодня по такой схеме устроены, например, турбодизели фирм BMW и Land Rover. В бензиновых двигателях Volkswagen роль маленького «заводилы» играет приводной нагнетатель.
На рядных двигателях зачастую используется одиночный турбокомпрессор (пара «улиток») с двойным рабочим аппаратом. Каждая из «улиток» наполняется выхлопными газами от разных групп цилиндров. Но при этом обе подают газы на одну турбину, эффективно раскручивая её и на малых, и на больших оборотах
Но чаще по-прежнему встречается пара одинаковых турбокомпрессоров, параллельно обслуживающих отдельные группы цилиндров. Типичная схема для турбомоторов, где у каждого блока свой нагнетатель. Хотя двигатель V8 фирмы M GmbH, дебютировавший на автомобилях BMW X5 M и X6 M, оснащён перекрёстным выпускным коллектором, который позволяет компрессору получать выхлопные газы из цилиндров разных блоков, работающих в противофазе.
Заставить турбокомпрессор работать эффективнее во всём диапазоне оборотов, можно ещё изменяя геометрию рабочей части. В зависимости от оборотов внутри «улитки» поворачиваются специальные лопатки и варьируется форма сопла. В результате получается «супертурбина», хорошо работающая во всём диапазоне оборотов. Идеи эти витали в воздухе не один десяток лет, но реализовать их удалось относительно недавно. Причём сначала турбины с изменяемой геометрией появились на дизельных двигателях, благо, температура газов там значительно меньше. А из бензиновых автомобилей первый примерил такую турбину Porsche 911 Turbo.
Конструкцию турбомоторов довели до ума уже давно, а в последнее время их популярность резко возросла. Причём турбокомпрессоры оказалось перспективным не только в смысле форсирования моторов, но и с точки зрения повышения экономичности и чистоты выхлопа. Особенно актуально это для дизельных двигателей. Редкий дизель сегодня не несёт приставки «турбо». Ну а установка турбины на бензиновые моторы позволяет превратить обычный с виду автомобиль в настоящую «зажигалку». Ту самую, с маленьким, едва заметным шильдиком «turbo».