Як працює турбіна на дизельному двигуні: особливості, пристрій

Як працює турбіна на дизельному двигуні: особливості, пристрій


Рішення використовувати енергію вихлопних газів для розкручування ротора стало геніальною ідеєю. Вона в майбутньому дозволила розробити дизельний турбо двигун і підвищити потужність мінімум на 50 відсотків. При тому що в процесі роботи двигуна в звичайному режимі процес викиду газів знижує ККД на 40 відсотків. Давайте розглянемо, як працює турбіна на дизельному двигуні, який її пристрій.

З історії

Насправді ідея використовувати потужність вихлопних газів не давала спокою інженерам практично з самого початку винаходу ДВЗ. Німецькі інженери, які займалися будівництвом автомобілів і тракторів разом з Дизелем і Даймлером, стали займатися дослідами, в ході яких намагалися підвищити потужність двигуна і знизити витрату пального за допомогою нагнітання стисненого повітря на базі енергії вихлопу.

Перший турбінобудівник

Однак перша людина, яка побудувала один з найперших ефективних турбокомпресорів, це аж ніяк не Даймлер, і навіть не Дизель. Першим інженером, який побудував турбіну, вважається Альфред Бюхі. Патент на даний винахід був отриманий в 1911 році. Перша турбіна мала таку конструкцію, що експлуатувати її можна було тільки на великих суднових моторах. Застосування компресорів на дизельних авто сенсу не мало.

Потім турбіни почали застосовувати в авіації. З 30-х років у США регулярно серійно виробляли військові літаки, бензинові мотори яких комплектувалися турбінами. Перша в історії вантажівка, оснащена турбованим дизелем, була побудована в 38-му році.

У 60-х силами "Дженерал Моторс" були випущені перші моделі легкових "Шевроле" і "Олдсмобіль" з бензиновими карбюраторними моторами з наддувом. Перші компресори, правда, не відрізнялися великою надійністю, тому з автомобільного ринку вони швидко зникли.

Знову в моді

Мода на турбовані двигуни почала повертатися. У період з 70-х до 80-х років системи турбонаддуву стали дуже популярними в спортивних і гоночних авто. У фільмах тієї епохи всі супергерої натискали на кнопку "турбо", і автомобіль стрімко йшов у захід сонця. Але кіно - це кіно, а в реальності ті перші турбокомпресори відставали в ефективності і технологічності, як і гальмувала їх швидкість реакції. І ці агрегати не тільки не економили паливо, а й суттєво збільшували його витрату. Тоді ще не йшлося про актуатора турбіни. Принцип роботи і налаштування ще не були до кінця зрозумілі.

Більш-менш успішні спроби впровадити наддув в автомобільні серійні мотори проводилися в 80-х компаніями "Мерседес" і SAAB. А вже потім, ґрунтуючись на цьому передовому досвіді, підключилися й інші світові автобренди.

У СРСР також розроблялися і впроваджувалися в серію турбовані мотори. Але тут турбіни застосовували у важких сільськогосподарських і промислових тракторах, на самоскидах та іншій потужній техніці.

Чому дизельна турбіна популярніша?

Чому ж вона стала дуже поширена саме на дизелях, а не на бензинових ДВЗ? Все дуже просто. Досить зрозуміти, як працює турбіна на дизельному двигуні. Також потрібно пам 'ятати, що дизель володіє більш високим ступенем стиснення. Вихлопні гази дизеля більш холодні. Тому до такої турбіни пред 'являються набагато менші вимоги по жаропрочності, а ефективність наддува набагато вище в порівнянні з бензиновими двигунами.

Пристрій наддуву

Наддув складається з двох окремих частин. Це безпосередньо турбіна і компресор. Турбіна необхідна для перетворення енергії вихлопних газів. Компресор відповідає за подачу стисненого повітря в камери згоряння.

Чим більше стисненого повітря буде подано в циліндри дизельного мотора, тим більше палива двигун зможе спожити за одиницю часу. Як результат - значне підвищення потужності без збільшення обсягів. Звідси стає зрозуміло, як перевірити турбіну на дизельному двигуні - патрубок від колектора до компресора повинен роздуватися при підвищенні обертів.

В основі системи лежить ротор, який кріпиться на осі. Вся ця конструкція укладена в корпус, здатний витримати високі температури. Ротор також виготовлений з жаропрочних сплавів - він без перерв контактує з вихлопними газами високої температури.

Вісь і кричата турбіни або колесо з лопатями при роботі двигуна обертаються. Частота обертання дуже висока. При цьому крильчатка і вісь обертаються в різних напрямках. За рахунок цього здійснюється більш щільний прижим двох елементів один до одного. Потік газів потрапляє у випускний колектор, а потім у спеціальний канал - він є в корпусі компресора. Корпус має форму равлика. Коли гази пройдуть через цей равлик, то потім вони на великій швидкості подаються до ротора. Це і є принцип роботи турбіни на дизельному двигуні.

Вісь нагнітача обертається в спеціальних підшипниках ковзання. Мастила здійснюється від системи змащення двигуна. Щоб масло не тікало, турбіна оснащується ущільнювальними прокладками і кільцями. Ці прокладки захищають вузол від прориву повітря і газів, а також запобігають їх змішуванню. Природно, повністю виключити можливість потрапляння газів у повітря не виходить, але і велика необхідність у цьому відсутня.

Як це працює?

Ми познайомилися з пристроєм механізму. Тепер варто дізнатися, як працює турбіна на дизельному двигуні автомобіля.

Чим більше палива згорить за одну одиницю часу, тим більше повітря потрібно закачати в двигун. Сам мотор не здатний впоратися з отриманням надлишкової кількості стисненого повітря. Це і є основне завдання системи турбонаддуву - потрібно нарощувати подачу повітря в камеру згоряння. Нагнітання здійснюється за рахунок перетворення енергії вихлопних газів на корисну роботу. Перш ніж гази вилетять у трубу, вони пройдуть через турбіну і компресор. Ось як працює турбіна. Принцип дії її простий для розуміння.

Процес проходження газів змушує розкручуватися крильчатку турбіни. Вона має лопаті. Середня кількість оборотів становить понад 150 тисяч оборотів на хвилину. На цьому ж валу, що і кричатка, кріпиться і вал компресора. Сила, отримана в результаті перетворення енергії газів, застосовується для значного підвищення тиску повітря. Це дозволяє подавати в циліндри набагато більше пального, що і дає значний приріст потужності і коефіцієнта корисної дії дизельного силового агрегату.

Ось як працює турбіна на дизельному двигуні автомобіля. Насправді за принципом і пристроєм дані механізми дуже схожі на бензинові турбіни.

Актуатори

Багато десятків років знадобилося інженерам, щоб розробити і побудувати ефективний нагнітач. Це тільки теоретично виглядає дуже добре. Насправді все значно складніше.

При різкому натисканні на газ зростання оборотів двигуна потрібно почекати. Оберти починають рости через деякий час. Підвищення тиску газів, розкручування крильчатки турбіни, закачування стисненого повітря проходить поступово. Це турбояма, і перемогти цю проблему не виходило. Але з проблемою все-таки впоралися впровадженням клапанів або актуаторів. Один потрібен для перепускання зайвого повітря через трубопровід з колектора, другий - для вихлопних газів. Клапан дозволяє скидати зайвий тиск, коли мотор працює на високих обертах. Давайте подивимося, як працює актуатор турбіни дизельного двигуна.

Принцип роботи

Головне завдання, яке повинен він вирішити, - це зниження тиску на високих обертах. Клапан встановлено у випускному колекторі. Працює він вкрай просто. При зростанні обертів і тиску вакуумний клапан пускає гази повз кричатки турбіни. У цей момент актуатор відкривається, і гази виходять через нього. Через клапани всмоктується більше повітря, ніж потрібно, щоб максимально розігнати компресор.

Можливе регулювання актуатора турбіни. Способи та особливості полягають у заміні пружини, налаштуванні кінця клапана і в монтажі буст-контролера. Це дозволяє регулювати роботу турбіни.