В двигателе внутреннего сгорания турбокомпрессор (также известный как турбо или турбонагнетатель ) представляет собой устройство принудительной индукции , которое питается потоком выхлопных газов. Он использует эту энергию для сжатия всасываемого воздуха, нагнетая больше воздуха в двигатель, чтобы производить больше мощности для заданного рабочего объема . [1] [2]
Текущая классификация заключается в том, что турбокомпрессор приводится в действие кинетической энергией выхлопных газов, тогда как нагнетатель приводится в действие механически (обычно ремнем от коленчатого вала двигателя). [3] Однако вплоть до середины 20-го века турбокомпрессор назывался «турбонагнетателем» и считался разновидностью нагнетателя. [4]
До изобретения турбокомпрессора принудительная индукция была возможна только с использованием механических нагнетателей . Использование нагнетателей началось в 1878 году, когда было построено несколько двухтактных газовых двигателей с наддувом по проекту шотландского инженера Дугалда Клерка . [5] Затем в 1885 году Готлиб Даймлер запатентовал технологию использования насоса с шестеренчатым приводом для нагнетания воздуха в двигатель внутреннего сгорания. [6]
Патент 1905 года Альфреда Бюхи , швейцарского инженера, работавшего в компании Sulzer, часто считается рождением турбокомпрессора. [7] [8] [9] Этот патент был выдан на составной радиальный двигатель с осевой турбиной , приводимой в действие выхлопными газами , и компрессором, установленными на общем валу. [10] [11] Первый прототип был закончен в 1915 году с целью преодоления потери мощности, испытываемой авиационными двигателями из-за снижения плотности воздуха на больших высотах. [12] [13] Однако прототип оказался ненадежным и не был запущен в производство. [12] Другой ранний патент на турбокомпрессоры был подан в 1916 году французским изобретателем паровой турбины Огюстом Рато для их предполагаемого использования в двигателях Renault, используемых во французских истребителях. [10] [14] Отдельно, испытания в 1917 году, проведенные Национальным консультативным комитетом по аэронавтике (NACA) и Сэнфордом Александром Моссом, показали, что турбокомпрессор может позволить двигателю избежать любой потери мощности (по сравнению с мощностью, вырабатываемой на уровне моря) на высоте до 4250 м (13 944 фута) над уровнем моря. [10] Испытания проводились в Пайкс-Пик в Соединенных Штатах с использованием авиационного двигателя Liberty L-12 . [14]
Первое коммерческое применение турбокомпрессора произошло в июне 1924 года, когда первый сверхмощный турбокомпрессор, модель VT402, был доставлен с баденского завода Brown, Boveri & Cie под руководством Альфреда Бюхи на SLM, Swiss Locomotive and Machine Works в Винтертуре. [15] За этим последовало очень близкое продолжение в 1925 году, когда Альфред Бюхи успешно установил турбокомпрессоры на десятицилиндровые дизельные двигатели, увеличив выходную мощность с 1300 до 1860 киловатт (с 1750 до 2500 л. с.). [16] [17] [18] Этот двигатель использовался Министерством транспорта Германии для двух больших пассажирских судов под названием Preussen и Hansestadt Danzig . Конструкция была лицензирована для нескольких производителей, и турбокомпрессоры начали использоваться в морских, железнодорожных и крупных стационарных приложениях. [13]
Турбокомпрессоры использовались на нескольких авиационных двигателях во время Второй мировой войны, начиная с Boeing B-17 Flying Fortress в 1938 году, который использовал турбокомпрессоры производства General Electric. [10] [19] Другие ранние самолеты с турбокомпрессорами включали Consolidated B-24 Liberator , Lockheed P-38 Lightning , Republic P-47 Thunderbolt и экспериментальные варианты Focke -Wulf Fw 190 .
Первое практическое применение для грузовиков было реализовано швейцарской компанией по производству грузовиков Saurer в 1930-х годах. Двигатели BXD и BZD производились с опциональным турбонаддувом с 1931 года. [20] Швейцарская промышленность сыграла роль пионера в области двигателей с турбонаддувом, о чем свидетельствуют Sulzer, Saurer и Brown, Boveri & Cie . [21] [22]
Производители автомобилей начали исследования в области двигателей с турбонаддувом в 1950-х годах, однако проблемы «турбозадержки» и громоздкости турбокомпрессора не могли быть решены в то время. [8] [13] Первыми автомобилями с турбонаддувом были недолговечные Chevrolet Corvair Monza и Oldsmobile Jetfire , оба представленные в 1962 году. [23] [24] Более широкое внедрение турбонаддува в легковых автомобилях началось в 1980-х годах как способ повышения производительности двигателей с меньшим рабочим объемом . [10]
Как и другие устройства принудительной индукции, компрессор в турбокомпрессоре сжимает всасываемый воздух перед тем, как он попадет во впускной коллектор . [25] В случае турбокомпрессора компрессор питается от кинетической энергии выхлопных газов двигателя, которая извлекается турбиной турбокомпрессора . [ 26] [27]
Основными компонентами турбокомпрессора являются:
Секция турбины (также называемая «горячей стороной» или «выхлопной стороной» турбокомпрессора) — это место, где создается вращательная сила, чтобы приводить в действие компрессор (через вращающийся вал через центр турбокомпрессора). После того, как выхлопные газы раскрутили турбину, они продолжают движение в выхлопной трубе и выходят из транспортного средства.
Турбина использует ряд лопаток для преобразования кинетической энергии потока выхлопных газов в механическую энергию вращающегося вала (который используется для питания секции компрессора). Корпуса турбины направляют поток газа через секцию турбины, а сама турбина может вращаться со скоростью до 250 000 об/мин. [28] [29] Некоторые конструкции турбокомпрессоров доступны с несколькими вариантами корпусов турбины, что позволяет выбирать корпус, наилучшим образом соответствующий характеристикам двигателя и требованиям к производительности.
Производительность турбокомпрессора тесно связана с его размером [30] и относительными размерами турбинного колеса и колеса компрессора. Большие турбины обычно требуют более высоких скоростей потока выхлопных газов, поэтому увеличивают турболаг и повышают порог наддува. Маленькие турбины могут производить наддув быстро и при более низких скоростях потока, поскольку они имеют меньшую инерцию вращения, но могут быть ограничивающим фактором пиковой мощности, вырабатываемой двигателем. [31] [32] Различные технологии, описанные в следующих разделах, часто направлены на объединение преимуществ как малых турбин, так и больших турбин.
В крупных дизельных двигателях часто используется одноступенчатая осевая турбина с притоком вместо радиальной турбины. [ необходима ссылка ]
Турбокомпрессор с двойной спиралью использует два отдельных впуска выхлопных газов, чтобы использовать импульсы в потоке выхлопных газов из каждого цилиндра. [33] В стандартном (односпиральном) турбокомпрессоре выхлопные газы из всех цилиндров объединяются и поступают в турбокомпрессор через один впуск, что заставляет газовые импульсы из каждого цилиндра мешать друг другу. Для турбокомпрессора с двойной спиралью цилиндры разделены на две группы, чтобы максимизировать импульсы. Выпускной коллектор удерживает газы из этих двух групп цилиндров разделенными, затем они проходят через две отдельные спиральные камеры («свитки»), прежде чем попасть в корпус турбины через два отдельных сопла. Эффект продувки этих газовых импульсов извлекает больше энергии из выхлопных газов, минимизирует паразитные обратные потери и улучшает отзывчивость на низких оборотах двигателя. [34] [35]
Еще одной общей особенностью турбокомпрессоров с двойной спиралью является то, что два сопла имеют разные размеры: меньшее сопло установлено под большим углом и используется для отклика на низких оборотах, в то время как большее сопло имеет меньший угол и оптимизировано для случаев, когда требуются высокие выходные показатели. [36]
Турбокомпрессоры с изменяемой геометрией (также известные как турбокомпрессоры с изменяемым соплом ) используются для изменения эффективного соотношения сторон турбокомпрессора при изменении условий эксплуатации. Это делается с помощью регулируемых лопаток, расположенных внутри корпуса турбины между впускным отверстием и турбиной, которые влияют на поток газов к турбине. Некоторые турбокомпрессоры с изменяемой геометрией используют вращающийся электрический привод для открытия и закрытия лопаток, [37], в то время как другие используют пневматический привод .
Если соотношение сторон турбины слишком велико, турбокомпрессор не сможет создать наддув на низких скоростях; если соотношение сторон слишком мало, турбокомпрессор будет душить двигатель на высоких скоростях, что приведет к высокому давлению в выпускном коллекторе, высоким потерям на насосе и, в конечном итоге, к снижению выходной мощности. Изменяя геометрию корпуса турбины по мере ускорения двигателя, соотношение сторон турбины может поддерживаться на оптимальном уровне. Благодаря этому турбокомпрессоры с изменяемой геометрией часто имеют уменьшенную задержку, более низкий порог наддува и большую эффективность на более высоких скоростях двигателя. [30] [31] Преимущество турбокомпрессоров с изменяемой геометрией заключается в том, что оптимальное соотношение сторон на низких скоростях двигателя сильно отличается от такового на высоких скоростях двигателя.
Турбокомпрессор с электроприводом объединяет традиционную турбину с выхлопным двигателем и электродвигатель, чтобы уменьшить турболаг. Это отличается от электрического нагнетателя , который использует только электродвигатель для питания компрессора.
Компрессор всасывает наружный воздух через впускную систему двигателя, сжимает его, а затем подает в камеры сгорания (через впускной коллектор ). Компрессорная часть турбокомпрессора состоит из рабочего колеса, диффузора и корпуса улитки. Рабочие характеристики компрессора описываются картой компрессора .
Некоторые турбокомпрессоры используют «портированный кожух», в котором кольцо отверстий или круглых канавок позволяет воздуху выходить вокруг лопаток компрессора. Конструкции портированного кожуха могут иметь большую устойчивость к пульсации компрессора и могут повысить эффективность колеса компрессора. [38] [39]
Вращающийся узел центральной ступицы (CHRA) вмещает вал, соединяющий турбину с компрессором. Более легкий вал может помочь уменьшить турбо-лаг. [40] CHRA также содержит подшипник, позволяющий этому валу вращаться на высоких скоростях с минимальным трением.
Некоторые CHRA охлаждаются водой и имеют трубы для прохождения охлаждающей жидкости двигателя. Одной из причин водяного охлаждения является защита смазочного масла турбокомпрессора от перегрева.
Самый простой тип турбокомпрессора — свободно плавающий турбокомпрессор. [41] Эта система могла бы обеспечить максимальный наддув при максимальных оборотах двигателя и полном газе, однако для создания двигателя, способного работать в диапазоне нагрузок и оборотов, необходимы дополнительные компоненты. [41]
Дополнительные компоненты, которые обычно используются совместно с турбокомпрессорами:
Турбо-лаг относится к задержке — когда обороты двигателя находятся в пределах рабочего диапазона турбокомпрессора — которая происходит между нажатием на дроссельную заслонку и включением турбокомпрессора для обеспечения давления наддува. [44] [45] Эта задержка вызвана увеличением потока выхлопных газов (после внезапного открытия дроссельной заслонки), требующим времени для раскрутки турбины до скоростей, при которых создается наддув. [46] Эффект турбо-лага заключается в снижении реакции дроссельной заслонки в виде задержки подачи мощности. [47] Нагнетатели не страдают от турбо-лага, поскольку механизм компрессора приводится в действие непосредственно двигателем.
Методы уменьшения турбо-задержки включают в себя: [ необходима ссылка ]
Аналогичное явление, которое часто ошибочно принимают за турболаг, — это порог наддува . Это когда скорость двигателя (об/мин) в данный момент ниже рабочего диапазона системы турбонаддува, поэтому двигатель не может обеспечить значительное наддув. На низких оборотах поток выхлопных газов не может достаточно вращать турбину.
Порог наддува приводит к задержкам в подаче мощности на низких оборотах (поскольку двигатель без наддува должен разогнать автомобиль, чтобы увеличить обороты выше порога наддува), в то время как турбо-лаг приводит к задержке в подаче мощности на высоких оборотах.
Некоторые двигатели используют несколько турбокомпрессоров, как правило, для уменьшения турбо-задержки, увеличения диапазона оборотов, где производится наддув, или упрощения компоновки впускной/выпускной системы. Наиболее распространенной компоновкой являются двойные турбокомпрессоры, однако в серийных автомобилях иногда используются тройные или четверные турбокомпрессоры.
Ключевое различие между турбокомпрессором и нагнетателем заключается в том, что нагнетатель приводится в действие двигателем механически (часто через ремень, соединенный с коленчатым валом ), тогда как турбокомпрессор приводится в действие кинетической энергией выхлопных газов двигателя . [49] Турбокомпрессор не оказывает прямой механической нагрузки на двигатель, хотя турбокомпрессоры оказывают обратное давление выхлопных газов на двигатель, увеличивая насосные потери. [49]
Двигатели с наддувом широко используются в тех случаях, когда ключевым фактором является приемистость, а также двигатели с наддувом менее склонны к перегреву всасываемого воздуха.
Комбинация турбокомпрессора, работающего от выхлопных газов, и нагнетателя, работающего от двигателя, может смягчить недостатки обоих. [50] Эта технология называется двойным наддувом .
Турбокомпрессоры используются в следующих областях:
В 2017 году 27% проданных в США автомобилей были оснащены турбонаддувом. [52] В Европе в 2014 году 67% всех автомобилей были оснащены турбонаддувом. [53] Исторически более 90% турбокомпрессоров были дизельными, однако их внедрение в бензиновые двигатели растет. [54] Компании, которые производят больше всего турбокомпрессоров в Европе и США, — это Garrett Motion (ранее Honeywell), BorgWarner и Mitsubishi Turbocharger . [2] [55] [56]
Неисправности турбокомпрессора и вызванная ими высокая температура выхлопных газов являются одной из причин возгораний автомобилей. [57]
Неисправность уплотнений приведет к утечке масла в цилиндры, что приведет к появлению сизого дыма. В дизельных двигателях это может вызвать превышение скорости, состояние, известное как разнос дизельного двигателя .
