В двигателе внутреннего сгорания турбокомпрессор (также известный как турбокомпрессор или турбонагнетатель ) представляет собой устройство принудительной индукции , которое приводится в действие потоком выхлопных газов. Он использует эту энергию для сжатия всасываемого воздуха, нагнетая больше воздуха в двигатель, чтобы произвести больше мощности при заданном рабочем объеме . [1] [2]
Текущая классификация такова, что турбонагнетатель приводится в действие кинетической энергией выхлопных газов, тогда как нагнетатель приводится в действие механическим способом (обычно с помощью ремня от коленчатого вала двигателя). [3] Однако вплоть до середины 20-го века турбонагнетатель назывался «турбонагнетателем» и считался разновидностью нагнетателя. [4]
До изобретения турбокомпрессора принудительная индукция была возможна только при использовании нагнетателей с механическим приводом . Использование нагнетателей началось в 1878 году, когда по конструкции шотландского инженера Дугалда Клерка было построено несколько двухтактных газовых двигателей с наддувом . [5] Затем в 1885 году Готлиб Даймлер запатентовал метод использования насоса с шестеренчатым приводом для подачи воздуха в двигатель внутреннего сгорания. [6]
Патент 1905 года, выданный Альфредом Бючи , швейцарским инженером, работавшим в компании Sulzer , часто считается рождением турбокомпрессора. [7] [8] [9] Этот патент касался составного радиального двигателя с осевой турбиной с приводом от выхлопных газов и компрессором, установленным на общем валу. [10] [11] Первый прототип был закончен в 1915 году с целью преодоления потери мощности авиационных двигателей из-за уменьшения плотности воздуха на больших высотах. [12] [13] Однако прототип не оказался надежным и не дошел до производства. [12] Еще один ранний патент на турбокомпрессоры был подан в 1916 году французским изобретателем паровой турбины Огюстом Рато для их предполагаемого использования в двигателях Renault, используемых на французских истребителях. [10] [14] Отдельно испытания, проведенные в 1917 году Национальным консультативным комитетом по аэронавтике (NACA) и Сэнфордом Александром Моссом, показали, что турбокомпрессор может позволить двигателю избежать потери мощности (по сравнению с мощностью, вырабатываемой на уровне моря) при высота до 4250 м (13 944 футов) над уровнем моря. [10] Испытания проводились в Пайкс-Пике в США с использованием авиационного двигателя Liberty L-12 . [14]
Первое коммерческое применение турбокомпрессора произошло в июне 1924 года, когда первый турбокомпрессор для тяжелых условий эксплуатации, модель VT402, был доставлен с баденского завода Brown, Boveri & Cie под руководством Альфреда Бючи на SLM, Swiss Locomotive and Machine Works в Винтертур. [15] За этим очень внимательно следили в 1925 году, когда Альфред Бючи 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 . Лицензия на разработку была передана нескольким производителям, и турбокомпрессоры начали использоваться в морских, железнодорожных вагонах и крупных стационарных установках. [13]
Турбокомпрессоры использовались на нескольких авиационных двигателях во время Второй мировой войны, начиная с самолета Boeing B-17 Flying Fortress в 1938 году, на котором использовались турбокомпрессоры производства General Electric. [10] [19] Другие ранние самолеты с турбонаддувом включали Consolidated B-24 Liberator , Lockheed P-38 Lightning , Republic P-47 Thunderbolt и экспериментальные варианты Focke -Wulf Fw 190 .
Первое практическое применение грузовых автомобилей было реализовано швейцарской компанией по производству грузовых автомобилей Saurer в 1930-х годах. Двигатели BXD и BZD производились с дополнительным турбонаддувом с 1931 года. [20] Швейцарская промышленность сыграла новаторскую роль в разработке двигателей с турбонаддувом, о чем свидетельствуют компании Sulzer, Saurer и Brown, Boveri & Cie . [21] [22]
Производители автомобилей начали исследования двигателей с турбонаддувом в 1950-х годах, однако проблемы «турбо-задержки» и громоздких размеров турбокомпрессора в то время не удалось решить. [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 легковые автомобили началось в 1980-х годах как способ увеличить производительность двигателей меньшего объема . [10]
Как и другие устройства принудительной индукции, компрессор турбокомпрессора создает давление всасываемого воздуха перед тем, как он попадет во впускной коллектор . [25] В случае турбокомпрессора компрессор приводится в действие кинетической энергией выхлопных газов двигателя, которая извлекается турбиной турбокомпрессора . [26] [27]
Основными компонентами турбокомпрессора являются:
Секция турбины (также называемая «горячей стороной» или «стороной выпуска» турбины) — это место, где создается вращательная сила, приводящая в действие компрессор (через вращающийся вал, проходящий через центр турбины). После того, как выхлоп раскрутил турбину, он продолжает попадать в выхлоп и выходить из автомобиля.
В турбине используется ряд лопаток для преобразования кинетической энергии потока выхлопных газов в механическую энергию вращающегося вала (которая используется для питания секции компрессора). Корпуса турбин направляют поток газа через турбинную секцию, а сама турбина может вращаться со скоростью до 250 000 об/мин. [28] [29] Некоторые конструкции турбокомпрессоров доступны с несколькими вариантами корпуса турбины, что позволяет выбрать корпус, который наилучшим образом соответствует характеристикам двигателя и требованиям к производительности.
Производительность турбокомпрессора тесно связана с его размером [30] и соответствующими размерами турбинного колеса и колеса компрессора. Большие турбины обычно требуют более высоких скоростей потока выхлопных газов, что приводит к увеличению турбо-задержки и увеличению порога наддува. Небольшие 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, как описано в следующих разделах, часто направлены на объединение преимуществ как малых турбин, так и больших турбин.
В больших дизельных двигателях вместо радиальной турбины часто используется одноступенчатая турбина с осевым впуском . [ нужна цитата ]
Турбокомпрессор с двойной спиралью использует два отдельных впуска выхлопных газов, чтобы использовать импульсы потока выхлопных газов из каждого цилиндра. [33] В стандартном турбокомпрессоре (с одной спиралью) выхлопные газы всех цилиндров объединяются и поступают в турбокомпрессор через один впуск, в результате чего газовые импульсы из каждого цилиндра мешают друг другу. В турбонагнетателе с двойной спиралью цилиндры разделены на две группы, чтобы максимизировать импульсы. Выпускной коллектор разделяет газы из этих двух групп цилиндров, затем они проходят через две отдельные спиральные камеры («свитки»), прежде чем попасть в корпус турбины через два отдельных сопла. Эффект продувки этих газовых импульсов позволяет восстановить больше энергии из выхлопных газов, свести к минимуму паразитные обратные потери и улучшить отзывчивость на низких оборотах двигателя. [34] [35]
Еще одной общей особенностью турбокомпрессоров с двойной спиралью является то, что два сопла имеют разные размеры: сопло меньшего размера установлено под более крутым углом и используется для реакции на низких оборотах, тогда как сопло большего размера имеет меньший угол наклона и оптимизировано для случаев, когда требуется высокая мощность. необходимый. [36]
Турбокомпрессоры с изменяемой геометрией (также известные как турбокомпрессоры с регулируемым соплом ) используются для изменения эффективного соотношения сторон турбокомпрессора при изменении условий эксплуатации. Это делается с помощью регулируемых лопаток, расположенных внутри корпуса турбины между входом и турбиной, которые влияют на поток газов в сторону турбины. В некоторых турбокомпрессорах с изменяемой геометрией для открытия и закрытия лопаток используется поворотный электрический привод , в то время как в других используется пневматический привод .
Если соотношение сторон турбины слишком велико, турбонаддув не сможет создать наддув на низких скоростях; если соотношение сторон слишком мало, турбонаддув будет душить двигатель на высоких оборотах, что приведет к высокому давлению в выпускном коллекторе, высоким потерям накачки и, в конечном итоге, к снижению выходной мощности. Изменяя геометрию корпуса турбины по мере ускорения двигателя, соотношение сторон турбины можно поддерживать на оптимальном уровне. Из-за этого турбокомпрессоры с изменяемой геометрией часто имеют уменьшенное запаздывание, более низкий порог наддува и большую эффективность на более высоких оборотах двигателя. [30] [31] Преимущество турбокомпрессоров с изменяемой геометрией заключается в том, что оптимальное соотношение сторон на низких оборотах двигателя сильно отличается от оптимального соотношения сторон на высоких оборотах двигателя.
Турбокомпрессор с электроусилителем сочетает в себе традиционную турбину с приводом от выхлопных газов и электродвигатель, чтобы уменьшить турбо-задержку. Это отличается от электрического нагнетателя , в котором для питания компрессора используется исключительно электродвигатель.
Компрессор всасывает наружный воздух через систему впуска двигателя, создает в нем давление, а затем подает его в камеры сгорания (через впускной коллектор ). Компрессорная часть турбокомпрессора состоит из рабочего колеса, диффузора и спирального корпуса. Рабочие характеристики компрессора описываются картой компрессора .
В некоторых турбокомпрессорах используется «кожух с отверстиями», при котором кольцо отверстий или круглых канавок позволяет воздуху обтекать лопатки компрессора. Конструкции кожуха с портами могут иметь большую устойчивость к помпажу компрессора и повышать эффективность колеса компрессора. [38] [39]
В центральном вращающемся узле ступицы (CHRA) находится 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 имеют водяное охлаждение 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 сможет обеспечить максимальное наддув при максимальных оборотах двигателя и полностью открытой дроссельной заслонке, однако необходимы дополнительные компоненты для создания двигателя, способного работать в различных условиях нагрузки и оборотов. [41]
Дополнительные компоненты, которые обычно используются вместе с турбокомпрессорами:
Под задержкой турбонаддува понимается задержка (когда обороты двигателя находятся в рабочем диапазоне турбокомпрессора), которая возникает между нажатием на дроссельную заслонку и раскруткой турбокомпрессора для создания давления наддува. [44] [45] Эта задержка связана с тем, что увеличивающийся поток выхлопных газов (после внезапного открытия дроссельной заслонки) требует времени для раскрутки турбины до скоростей, при которых создается наддув. [46] Эффект турбо-задержки заключается в снижении реакции дроссельной заслонки в виде задержки подачи мощности. [47] Нагнетатели не страдают от турбо-задержки, поскольку механизм компрессора приводится в действие непосредственно двигателем.
Методы уменьшения турбо-лага включают в себя :
Аналогичное явление, которое часто ошибочно принимают за турбо-лаг, — это порог наддува . В этом случае частота вращения двигателя (об/мин) в данный момент находится ниже рабочего диапазона системы турбокомпрессора, поэтому двигатель не может обеспечить значительное наддув. На низких оборотах расход выхлопных газов не может достаточно раскрутить турбину.
Порог наддува вызывает задержки в подаче мощности на низких оборотах (поскольку двигатель без наддува должен разогнать автомобиль, чтобы увеличить обороты выше порога наддува), тогда как турболаг вызывает задержку в подаче мощности на более высоких оборотах.
В некоторых двигателях используется несколько турбонагнетателей, обычно для уменьшения турбо-задержки, увеличения диапазона оборотов в минуту, в которых создается наддув, или для упрощения компоновки системы впуска/выпуска. Наиболее распространенной компоновкой являются двойные турбонагнетатели, однако в серийных автомобилях иногда используются тройные или четырехцилиндровые турбины.
Ключевое различие между турбокомпрессором и нагнетателем заключается в том, что нагнетатель приводится в действие механическим двигателем (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 создают противодавление выхлопных газов в двигателях, увеличивая насосные потери. [49]
Двигатели с наддувом распространены в приложениях, где реакция дроссельной заслонки является ключевой проблемой, и двигатели с наддувом с меньшей вероятностью нагревают всасываемый воздух.
Комбинация турбонагнетателя с приводом от выхлопных газов и нагнетателя с приводом от двигателя может смягчить недостатки обоих. [50] Этот метод называется двойной зарядкой .
Турбокомпрессоры используются в следующих приложениях:
В 2017 году 27% автомобилей, проданных в США, были оснащены турбонаддувом. [52] В 2014 году в Европе 67% всех автомобилей были оснащены турбонаддувом. [53] Исторически сложилось так, что более 90% турбокомпрессоров были дизельными, однако их внедрение в бензиновые двигатели растет. [54] Компании, производящие наибольшее количество турбокомпрессоров в Европе и США, — это Garrett Motion (ранее Honeywell), BorgWarner и Mitsubishi Turbocharger . [2] [55] [56]
Отказы турбокомпрессора и, как следствие, высокая температура выхлопных газов являются одними из причин пожаров в автомобилях. [57]
Выход из строя уплотнений приведет к утечке масла в цилиндры и появлению сине-серого дыма. В дизельных двигателях это может вызвать превышение скорости, состояние, известное как разгон дизельного двигателя .
