Ооо турбокомпрессор это современное: Турбонагнетатели

Содержание

Турбокомпрессоры | ABB

Комплексное обслуживание и ремонт турбокомпрессоров.


Компания ABB – мировой лидер по производству и сервисному обслуживанию турбокомпрессоров мощностью от 500 кВт до 80+ МВт для дизельных и газовых двигателей, устанавливаемых на морских судах, дизельных и газопоршневых электростанциях, тепловозах и карьерных самосвалах.

В 2013 году в г.Санкт-Петербурге был открыт новый Сервисный центр по турбокомпрессорному оборудованию ABB. Сервисный центр оснащен самым современным оборудованием и специальным инструментом, способным обеспечить весь комплекс услуг по периодическому техническому обслуживанию и ремонту турбокомпрессоров.

Мы выполняем следующие виды цеховых работ:

  • ремонт и восстановление турбокомпрессоров; 
  • стандартное техническое обслуживание турбокомпрессоров производства ABB всех типов и размеров; 
  • стандартное техническое обслуживание модулей VTG; 
  • замена деталей турбокомпрессоров; 
  • замена лопаток турбин; 
  • динамическая балансировка роторов; 
  • очистка деталей; 
  • замеры твердости колес компрессора.

При необходимости предоставляются сертификаты классификационных обществ на роторы и турбокомпрессоры в сборе. Динамическая балансировка роторов осуществляется по оригинальной технологии, разработанной заводом-изготовителем и сопровождается под¬робным отчетом о выполненной работе.

В цехе предусмотрен специализированный участок для замены лопаток турбин разных размеров, измерительный и токарный участки. Наличие камеры для высокотемпературной мойки и пескоструйной установки гарантирует качественную очистку деталей от масляных загрязнений и нагара.

Наши сервисные инженеры доступны 24 часа в сутки и при необходимости могут провести работы на объекте заказчика в любом регионе России. (Для обеспечения оперативной сервисной поддержки резидентам РФ рекомендуется заблаговременно заключить рамочный договор с ООО «АББ».)

Фирма Garrett создала электрический турбокомпрессор — ДРАЙВ

По идеологии новая система близка к электрическим турбинам, используемым в современной Формуле-1.

Компания Garrett построила собственную систему электрического наддува E-Turbo. По схеме она отличается от подобных систем у Мерседесов и Audi, использующих компоненты от своих партнёров BorgWarner и Valeo, соответственно. У немцев электрический нагнетатель представляет собой отдельный узел (электромотор плюс воздушная крыльчатка). Он не заменяет классический турбокомпрессор (а то и не один), а только дополняет его. В системе от Garrett электромотор установлен на валу турбокомпрессора между турбинным и компрессорным колёсами.

Ключевое отличие системы Гарретта от конкурирующих: в некоторых режимах электромотор обращается в генератор и не раскручивает компрессорное колесо, а собирает энергию выхлопных газов, превращая её в электричество для подзарядки батареи (получается аналог формульного блока MGU-H).

По информации производителя, опыт с одной из моделей показал, что E-Turbo позволяет поднять мощность на 16%, а крутящий момент на 10,5%. При раскрутке с низких оборотов мотор выходил на заданную планку момента за одну секунду вместо 1,5 без системы E-Turbo, а время ускорения с 60 до 100 км/ч сократилось с 11 до 8,8 с. Ещё новый узел позволяет почти во всём диапазоне оборотов использовать стехиометрическую смесь (с полным сгоранием топлива). В целом же новация сулит повышение не только динамики разгона, но эффективности силовой установки на 2-4%. Помимо того, E-Turbo якобы хорошо подходит для ДВС в составе гибридов, работающих на обеднённых смесях и для перспективных бензиновых моторов с воспламенением от сжатия.

Компания Garrett напрямую не говорит, на каких автомобилях была испытана система, хотя несколько снимков на сайте разработки указывают на Jaguar F-Pace, а также ряд машин концерна Volkswagen.

Фирма Garrett ведёт переговоры с разными компаниями о внедрении E-Turbo на их моделях и утверждает, что уже в 2021 году первая из них выйдет в свет. Разработчики говорят, что система E-Turbo может стать важным элементом в стратегии производителей с целью обеспечить выполнение ещё более жёстких норм по выхлопам Euro 7 (их внедрение ожидается примерно в 2025 году). Добавим, что темой электрических нагнетателей занимаются многие автопроизводители, например, Alfa Romeo, Mazda, Volvo, Hyundai, KIA и Ferrari.

Что такое турбокомпрессор? (турбина)

Все больше современных автомобилей получают «живительный» воздух, придающий им дополнительную «силу», от турбокомпрессора (турбины). Несмотря на то, что этот агрегат использовался в автомобильных, авиационных и других двигателях на протяжении почти всего нынешнего века, всего лишь около десяти лет назад турбокомпрессоры еще считались лишь «игрушкой» для «экзотических» и «особо мощных» машин.

Вместе с растущей заинтересованностью потребителя в более высокой и экономичной мощности современных автомобилей, турбокомпрессоры доказали свою высокую эффективность и практичность. Одновременно с низкими, «зализанными» аэродинамическими формами кузовов современных машин их двигатели стали меньше, а упор стал делаться на топливную экономичность.

Турбокомпрессор повышает эффективную мощность двигателя на 20-50 процентов. Таким образом, после его установки 4-цилиндровый агрегат обеспечивает силовые параметры 6- и даже 8-цилиндровых двигателей, и все это при сохранении высокой экономичности!

Ответим на 5 наиболее часто задаваемых вопросов о турбокомпрессорах.

Турбокомпрессор (турбина) в разрезе, со схематичным пояснением принципа ее работы.

1. КАКИМ ОБРАЗОМ ТУРБОКОМПРЕССОР УВЕЛИЧИВАЕТ МОЩНОСТЬ ДВИГАТЕЛЯ?

Мощность, развиваемая двигателем, зависит от количества воздуха и смешанного с ним топлива, которое может быть подано в двигатель. Если требуется увеличить мощность двигателя, нужно увеличить как количество подаваемого воздуха, так и топлива. Подача большего количества топлива не даст эффекта до тех пор, пока не появится достаточное для его сгорания количество воздуха, иначе образуется избыток несгоревшего топлива, что приводит к перегреву двигателя, который к тому же при этом сильно дымит.

Турбокомпрессор увеличивает мощность двигателя путем подачи в него необходимого количества сжатого воздуха, достаточного для полного сгорания увеличенной дозы топлива. Следовательно, при прежнем рабочем объеме и тех же оборотах мы получаем большую мощность. Кроме того, улучшается процесс сгорания, что позволяет увеличить характеристики двигателя в широком диапазоне чисел оборотов (см. врезку).

2. КАК РАБОТАЕТ ТУРБОКОМПРЕССОР?

Основными частями практически любого турбокомпрессора являются турбина и центробежный воздушный насос, связанные между собой при помощи общей жесткой оси. Оба этих элемента вращаются в одном направлении и с одинаковой скоростью (причем огромной — примерно 100.000 об/мин!). Энергия потока отработавших газов, которая в обычных двигателях не используется, преобразовывается здесь в крутящий момент, приводящий в действие компрессор.

Происходит это так. Выходящие из цилиндров двигателя отработавшие газы подаются на крыльчатку турбины, которая преобразует их кинетическую энергию в механическую энергию вращения (крутящий момент). Компрессор (он представляет собой похожую крыльчатку, установленную на другом конце оси) засасывает свежий воздух через воздушный фильтр, сжимает его и подает в цилиндры двигателя. Количество топлива, которое можно смешать с воздухом, при этом можно увеличить, что позволяет двигателю развивать большую мощность.

3. НА КАКИЕ ДВИГАТЕЛИ МОЖНО УСТАНОВИТЬ ТУРБОКОМПРЕССОР?

Примерное, схематичное расположение турбокомпрессора и сопутствующих ему патрубков и деталей на двигателе.

Направление потока воздуха (показано стрелками): 1 – турбокомпрессор; 2 – патрубки; 3 – радиатор

Турбокомпрессором может быть оснащен любой двигатель внутреннего сгорания: дизельный, бензиновый или работающий на газе, имеющий жидкостное или воздушное охлаждение. Турбокомпрессоры используются как на двигателях с большим рабочим объемом (судовых, тепловозных и стационарных), так и на двигателях грузовых и легковых автомобилей. Также не имеет никакого значения, идет ли речь о двухтактном или о четырехтактном двигателе.

В настоящее время практически все большие дизельные двигатели мощностью более 150 кВт, используемые в промышленности, судостроении, на дорожно-строительных работах, оснащаются турбокомпрессором (иногда даже несколькими).

В сфере автомобильного транспорта теперь практически любой дизельный двигатель мощностью свыше 80 кВт стандартно оснащается турбокомпрессором. Даже в секторе небольших автомобилей с дизельным двигателем наблюдается их распространение.

Приход турбокомпрессоров на бензиновые двигатели был более трудным, но ускорился благодаря опыту их использования на кольцевых автогонках и авторалли. Расширение производства материалов, обладающих высокими температурными характеристиками, улучшение качества моторных масел, применение жидкостного охлаждения корпуса турбокомпрессора, электронное управление регулирующими клапанами — все это способствовало тому, что эти агрегаты стали использоваться на мелкосерийных бензиновых двигателях, что, в сочетании с впрыском топлива и электронным зажиганием, позволило достичь очень высоких характеристик.

4. НУЖДАЕТСЯ ЛИ ТУРБОКОМПРЕССОР В ОБСЛУЖИВАНИИ?

Нет. Но поскольку он смазывается маслом из системы смазки двигателя, то проблемы с этой системой «отзовутся» и на турбокомпрессоре. Обычно недостаток масла приводит к его сильному износу и выходу из строя.

Признаками неисправности турбокомпрессора могут быть: уменьшенная мощность двигателя, черный или синеватый дым из выхлопной трубы, повышенный расход моторного масла или шум при работе турбокомпрессора.

Примечание. Имейте в виду, что указанные признаки не обязательно свидетельствуют о неисправности турбокомпрессора — прежде всего, нужно проверить исправность двигателя и его навесных агрегатов.

На нормально работающем двигателе, который своевременно и качественно обслуживается, турбокомпрессор может безотказно работать в течение долгих лет.

Любой ремонт турбокомпрессора должен осуществляться только в специализированной мастерской, поскольку для этого требуются специальные знания, умения и оборудование. Кроме того, при выполнении любых работ с агрегатом должна быть обеспечена идеальная чистота, поскольку даже одна песчинка, попавшая в турбокомпрессор, может вывести его из строя.

5. КАК СОХРАНИТЬ ЖИЗНЬ ТУРБОКОМПРЕССОРУ?

Это очень просто. Нужно всего лишь следовать рекомендациям производителя автомобиля. По данным одной крупной аналитической фирмы, только около 30% владельцев «турбированных» машин выполняют эти рекомендации. Поэтому многие проблемы с турбокомпрессором возникают только в результате пренебрежения этими правилами. А они следующие:

После запуска холодного двигателя, по крайней мере, 5 минут не допускайте высоких оборотов, чтобы дать возможность маслу хорошо смазать турбокомпрессор.

Перед тем как выключать двигатель после высокой нагрузки либо длительной поездки, оставьте его поработать не менее 1 минуты на холостых оборотах. Если сразу заглушить двигатель, работающий на высоких оборотах, турбокомпрессор будет некоторое время вращаться без смазки, поскольку масляный насос прекратит работу. При этом повреждаются подшипники и кольца агрегата.

Не забывайте регулярно заменять моторное масло и масляный фильтр. Имейте в виду, что высокая температура, возникающая при работе турбокомпрессора, уменьшает эффективность и долговечность масла. Поэтому заливайте только то масло, которое подходит для «турбированных» двигателей.

Соблюдая эти правила, вы обеспечите длительную и надежную работу турбокомпрессора. Помните «золотое» правило: болезнь легче предупредить, чем излечить.

ПРЕИМУЩЕСТВА ТУРБОКОМПРЕССОРНОГО ДВИГАТЕЛЯ

Соотношение «масса/мощность» у двигателя с турбокомпрессором выше, чем у атмосферного.

Двигатель с турбокомпрессором менее громоздок, чем атмосферный двигатель той же мощности.

Кривая крутящего момента двигателя с турбокомпрессором может быть лучше адаптирована к специфическим условиям эксплуатации. При этом, например, водитель тяжелого грузовика должен будет намного реже переключать передачи на горной дороге, и само вождение будет более «мягким».

Двигатель с турбокомпрессором почти невосприимчив к значительной перемене высоты, тогда как атмосферный на большой высоте теряет мощность.

Двигатель с турбокомпрессором обеспечивает лучшее сгорание топлива. Подтверждением тому служит уменьшение потребления топлива грузовиками на больших пробегах.

Поскольку турбокомпрессор улучшает сгорание топлива, он также способствует уменьшению токсичности отработавших газов.

Двигатель, оснащенный турбокомпрессором, работает более стабильно, чем его атмосферный аналог той же мощности, а, будучи меньшим по размеру, он производит меньше шума. Кроме того, турбокомпрессор играет также роль своеобразного глушителя в системе выпуска. 

 

Спецсервис для турбированных автомобилей

Компания «Мастертурбо» была основана в Санкт-Петербурге 2006 году, как производственно- техническое предприятие по ремонту и продаже турбин (турбокомпрессоров) различного назначения и на любую технику: Легковые автомобили и микроавтобусы, Грузовые автомобили и автобусы, Специальная строительная техника, Генераторы и когенерационные установки различной мощности, Суда и специальный водный транспорт водоизмещением до 2000т, Буровые и дробильные установки, Любые турбокомпрессоры с изменяемой геометрией и без, с пневматическим и электронным механизмом управления наддувом , установленные на поршневые и роторные ДВС., а также диагностике систем турбонаддува для двигателей внутреннего сгорания различного назначения. На текущий момент мы являемся одной из крупнейших компаний в данной отрасли на Российском рынке.

На текущий момент, мы восстановили более 100000 турбокомпрессоров на различную технику и разных производителей: Garrett, KKK, Holset, IHI Turbo, Schwitzer, Mitsubishi, TOYOTA, АВВ, CAT, CZ, John Deere, Perkins и многих других.

В процессе развития нашей компании были открыты дополнительные направления:

  • Ремонт и продажа двухмассовых (демпферных) маховиков.
  • Ремонт бензиновых и дизельных ДВС.
  • Ремонт и продажа суппортов любой конфигурации включая суппорта с крупнотоннажной техники.
  • Ремонт и продажа компрессоров грузовых автомобилей.
  • Ремонт турбокомпаундов.
  • Ремонт и заправка кондиционеров.
  • Ремонт легковых автомобилей и микроавтобусов (агрегатный и общеслесарный).
  • Балансировка роторов различных турбокомпрессоров, коленчатых валов ДВС, балансировку роторов газотурбинных двигателей и двухмассовых маховиков на валу.
  • Ремонт АКПП
    • Классических гидромеханических автоматических АКПП и ремонт гидротрансформаторов, и гидроблоков.
    • Вариаторных трансмиссий CVT.
    • Роботизированных трансмиссий с двойным сцеплением DSG.
    • Классических роботизированных трансмиссий с сервоприводами.

На всю производимую и продаваемою нами продукцию предоставляется фирменная гарантия и гарантия заводов изготовителей.
При восстановлении агрегатов мы используем специальное фирменное оборудование и комплектующие рекомендованные заводами изготовителями. В случаи невозможности применения стандартных запасных частей, наша компания, по согласованию с заказчиком, может применить аналоги, либо самостоятельно изготовить нестандартный ремкомплект.

 

Продажа деталей и агрегатов. У нас вы сможете найти запчасти на легковые автомобили (Audi, Volkswagen, BMW, SAAB), грузовые автомобили (Iveco, Man, Volvo), специальную дорожно-строительную технику, стационарные и судовые двигатели. В целом, на нашем складе имеется свыше 100000 наименований изделий для различных типов автомобилей и техники.

Диагностика. Если вы почувствовали сбои в работе автомобиля, наши специалисты проконсультируют Вас и оценят общее состояние всех систем вашего авто. Своевременная диагностика – лучший способ избежать многих проблем в будущем.

Все виды работ, в том числе и диагностика, производятся на современном оборудовании последнего поколения. Мы используем только качественные оригинальные комплектующие, рекомендованные компаниями-производителями. Качественные детали– это гарантия того, что любая система будет работать надежно и без перебоев.

Мы даем гарантию на все проделанный работы и реализуемые нами детали.

глушить сразу или дать остыть? Мнения экспертов — журнал За рулем

Двигатели с наддувом нельзя глушить сразу — им надо дать поработать минуту-другую на минимальных оборотах холостого хода, чтобы остыл турбокомпрессор. Это утверждение пришло из конца прошлого века. Справедливо ли оно сегодня? Нет! Если, конечно, производитель не сэкономил, а такие примеры тоже есть.

Почему возможен перегрев

Материалы по теме

Источником энергии турбокомпрессора являются раскаленные выхлопные газы ДВС: чем выше их температура и давление, тем интенсивнее крутится ротор турбокомпрессора. Турбокомпрессор нагревается по трем причинам: от горячих газов, поступающих в турбинную часть, от сжатия воздуха в компрессоре и от трения в подшипниках. Максимальный нагрев происходит при работе двигателя на пике мощности. Это проявляется при движении на высоких скоростях по магистрали. Одно из самых провокационных мест — бензоколонка на скоростной магистрали. Всего несколько десятков метров от трассы — и мотор надо глушить.

Другая возможность сильно нагреть турбокомпрессор — это езда в тяжелых условиях: по бездорожью и т. п. Максимальную мощность мотор при этом не разовьет, поскольку колеса сорвутся в пробуксовку. Однако отсутствие встречного воздушного потока способствует росту температуры двигателя, а заодно и турбокомпрессора. Перегрев возможен и при движении в горах с большим количеством подъемов, а также с прицепом.

Но пик неприятностей наступает не во время работы, а потом! После остановки двигателя охлаждение раскаленного турбокомпрессора резко ухудшается. Масло уже не подается, тепло уходит в подшипниковый узел, остатки смазки в подшипнике и его уплотнениях начинают закоксовываться. Со временем это приводит к ухудшению уплотнения и нарушению расчетного режима работы подшипника. А вращение ротора без подачи масла под давлением провоцирует появление задиров.

Системы жидкостного охлаждения турбокомпрессора также прекращали работу после остановки мотора и, соответственно, не отводили тепло от агрегата наддува. Поэтому и появились рекомендации не глушить моторы сразу, а дать им поработать какое-то время на минимальных оборотах холостого хода. Масло и охлаждающая жидкость при этом будут циркулировать, температура выпускных газов, поступающих в турбинную часть, понизится — в итоге турбокомпрессор остывает, а затем мотор можно безбоязненно глушить.

Турбокомпрессор с «рубашкой» охлаждения: 1. Корпус компрессора 2. Подшипниковый узел 3. Колесо компрессора; 4. Пневмокамера управления давлением наддува 5. Корпус подшипников 6. Подвод охлаждающей жидкости 7. Клапан регулировки давления наддува 8. Корпус турбины 9. Колесо турбины 10. Отвод охлаждающей жидкости.

Турбокомпрессор с «рубашкой» охлаждения: 1. Корпус компрессора 2. Подшипниковый узел 3. Колесо компрессора; 4. Пневмокамера управления давлением наддува 5. Корпус подшипников 6. Подвод охлаждающей жидкости 7. Клапан регулировки давления наддува 8. Корпус турбины 9. Колесо турбины 10. Отвод охлаждающей жидкости.

Турботаймер и циркуляционные насосы

Материалы по теме

Рекомендация тут же породила появление новых электронных примочек — турботаймеров. После поворота ключа зажигания двигатель будет пару-тройку минут работать на минимальных оборотах, чтобы охладить турбину и продлить срок ее службы. Одними из первых турботаймеры предложили разработчики охранных систем, добавив в сигнализацию новую функцию для владельцев автомобилей с турбонаддувом. Предложение стало пользоваться спросом, а потому появились отдельные электронные блоки, выполня­ющие функцию отложенного выключения двигателя.

Штатно же турботаймеры не устанавливают даже на автомобили с заряженными двигателями. И не потому, что проблема куда-то пропала — принципиально в ДВС ничего не поменялось. Да, изменились и стали более совершенными конструкции, материалы и смазки, но перегрева турбокомпрессоры по-прежнему не любят. Может, автопроизводители применяют иные средства защиты турбокомпрессоров от перегрева?

Некоторые компании (в частности, Porsche, Volkswagen, Skoda, Jaguar) на многие модели с турбонаддувом устанавливают электрические циркуляционные насосы, которые при необходимости подают к турбокомпрессору охлаждающую жидкость. В том числе и после остановки двигателя — антифриз некоторое время циркулирует через агрегат, препятствуя его перегреву. Напоминает аналогичный режим работы электровентиляторов системы охлаждения, реализованный на большинстве современных автомобилей. Мотор выключен, а вентилятор продолжает крутиться. Понятно, что в этом случае в турботаймере нет необходимости.

Многие автопроизводители перекладывают функцию интеллектуального турботаймера на водителя! В большинстве инструкций отмечено, что после эксплуатации автомобиля в режимах, близких к предельно допустимым, рекомендуется перед выключением мотора дать ему поработать без нагрузки в течение нескольких минут. То есть советы остались теми же, что и десятилетия назад.

В прошлом году из 25 самых продаваемых в России моделей турбокомпрессорами были оснащены пять. При этом дополнительный электрический насос, охлаждающий турбокомпрессор, используют в трех моделях — это Skoda Kodiaq, Skoda Octavia A7 и VW Tiguan. Выходит, большинство производителей сравнительно доступных автомобилей не заморачивается подобными проблемами. Логика проста: удорожания не происходит, а гарантийный срок автомобиль, скорее всего, и так выходит. Что дальше — забота владельца.

Не глушите мотор сразу — дайте ему поработать на минимальных оборотах. Условия работы турбокомпрессора — очень тяжелые, а новшеств, делающих его бессмертным, не появилось.

Наши рекомендации

Материалы по теме

Автопроизводители уверяют, что турбокомпрессоры сегодня не боятся перегрева. Например, компания Renault поясняет, почему бензиновый двигатель ТСе 150, установленный на Аркане, не нуждается в обязательном охлаждении турбины перед его выключением. Дескать, в ходе разработки эти моторы испытывали 40 000 часов на стендах, что соответствует 14 годам эксплуатации по 8 часов каждый день. Поэтому рекомендации «погонять на холостых» носят рекомендательный, а не обязательный характер.

Мы придерживаемся иного мнения. Условия работы турбокомпрессора — очень тяжелые, а принципиальных новшеств, делающих его бессмертным, пока не появилось. К тому же это недешевый агрегат: ремонт ударит по карману, когда гарантия закончится. И если ваш автомобиль не оборудован электрическим насосом, качающим охлаждающую жидкость после остановки, настоятельно рекомендуем выдерживать паузы в одну-две минуты, прежде чем глушить мотор, поработавший на пределе. Однако как понять, есть такой насос на вашей машине или нет? Например, на слух: после интенсивной езды остановить мотор и прислушаться, есть ли характерное жужжание. Но лучше перестраховаться, ­даже если автопроизводитель говорит, что ­проблем не будет.

Альтернативный комментарий специалиста

Денис Загарин, руководитель Центра испытаний НАМИ

Денис Загарин, руководитель Центра испытаний НАМИ

За 11 лет работы на полигоне я ни разу не встретил автомобиль с турбонаддувным двигателем, который был бы оснащен турботаймером в базовом оснащении. Видимо, производители считают, что при нормальной эксплуатации, применении качественных смазочных материалов и топлива, а также при правильном и своевременном выполнении ТО и ремонта проблем с турбокомпрессором не будет.

Агрегат наддува обладает достаточным ресурсом, и его охлаждение с рабочих и расчетных температур будет происходить за счет инерции. Запаса жаростойкости примененных материалов также хватит.

  • Продлить срок службы узлов и агрегатов автомобиля можно при помощи специальных присадок. Лучше всего себя зарекомендовали продукты от SUPROTEC и VALENA.

Турбокомпрессоры для автомобилей и автобусов Scania с регулируемой геометрией

Оптимизированные выходные характеристики и экологическая безопасность

Турбокомпрессоры Scania с регулируемой геометрией (VG) разработаны с соблюдением жестких экологических нормативов и демонстрируют от-личную результативность уже при низкой рабочей частоте. Обменные турбокомпрессоры восстанавли-ваются и испытываются в соответствии с теми же требованиями, которые предъявляются к новым агрегатам.

Турбокомпрессоры с регулируемой геометрией — только факты

Высокая результативность и низкий экологический ущерб

К современным дизельным двигателям предъявляются самые жесткие экологические требования. Турбокомпрессор с регули-руемой геометрией (VG) — это сложный агрегат, в котором зона впуска к турбине постоянно корректируется. Для этого служат электронные функции, предусмотренные в блоке управления турбокомпрессором. Таким образом, в сравнении с турбокомпрес-сором, имеющим турбину стандартной геометрии, расширяется полезный частотный диапазон. Турбокомпрессор VG обеспечивает соблюдение жестких норм токсичности выхлопа и хорошую результативность как при низкой, так и при высокой рабочей частоте.
Изменение ширины зоны впуска турбины позволяет скорректировать скорость отока отработавших газов и, следовательно, объем воздуха, поступающего в двигатель.

A – Отработавшие газы, 1 – Компрессор, 2 – Турбина, 3 – Кольцо сопла, перемещаемое в осевом направлении

Какую работу Мы проделали

  1. Повышенная эффективность
    Турбокомпрессор с регулируемой геометрией Scania (VG) обеспе-чивает соблюдение жестких норм токсичности выхлопа и обладает высокой эффективностью. Эффективность работы турбокомпрес-соров VG повышена во всем частотном диапазоне, причем без ухудшения экологических характеристик.
  2. Высокая мощность даже при низкой рабочей частоте
    Турбокомпрессоры Scania VG быстро и эффективно регулируют параметры своей работы, причем вне зависимости от частоты вра-щения двигателя. Таким образом, уже на низкой частоте обеспечи-вается высокая мощность, а при высокой частоте оптимизируется расход топлива.
  3. Турбокомпрессоры VG, предлагаемые по программе обмена
    В систему обмена Scania Service Exchange включены турбокомпрес-соры VG, т.е. вместо новых, не бывших в эксплуатации компрес-соров можно приобрести восстановленные агрегаты. Обменные агрегаты восстанавливаются с соблюдением столь же жестких требований, которые предъявляются к новым турбокомпрессорам VG.

Турбированные моторы & атмосферные: устройства и принцип работы | Справочная информация

Классические бензиновые и дизельные силовые агрегаты в последние несколько лет стали сдавать позиции лидеров в автомобилестроении. На смену им и в дополнение приходят турбированные и атмосферные двигатели, которые всего пару десятилетий назад можно было встретить только на гоночных болидах.

Сегодня очень часто при выборе современных моделей транспортных средств, автолюбители не знают, на каком силовом агрегате лучше всего остановиться — купить автомобиль с «атмосферником» или турбиной? У каждого из этих механизмов есть свои специфические особенности, а также плюсы и минусы в эксплуатации.

Устройство и принцип работы турбированного двигателя

Турбированный силовой агрегат считается одним из самых старых среди двигателей внутреннего сгорания, так как был придуман почти столетие назад. Принцип его работы заключается в том, в цилиндры подается увеличенное количество воздуха, для этого используется нагнетающее устройство – турбокомпрессор («турбина»). Это создает лучшие условия для сгорания топлива и, соответственно, увеличивает мощность двигателя.

По принципу работы турбированный двигатель не отличается от обычного атмосферного двигателя. А нагнетание дополнительного воздуха позволяет эффективнее использовать полный объем поступающей горючей смеси, что положительно сказывается на динамических характеристиках автомобиля.

Турбокомпрессор использует для работы энергию выхлопных газов. Он подсоединяется к выхлопной системе, в результате чего часть отработанных газов поступает на лопасти турбины и вращает крыльчатку компрессора.

Для охлаждения силового агрегата с турбокомпрессором используют интеркуллер. Это обычный радиатор, но вместо охлаждающей жидкости в нем циркулирует воздух.

Достоинства турбодвигателя

Главный козырь турбированных силовых агрегатов — это, конечно же, их высокая мощность. Двигатели с турбокомпрессором по динамике разгона значительно превосходят своих атмосферных «собратьев» при одинаковом объеме. При этом потребление топлива увеличивается ненамного, так как турбина использует энергию уже отработавших газов, а не тратит горючее на создание новых.

Еще одно достоинство турбированного агрегата – снижение содержания вредных газов в выхлопе, поскольку топливовоздушная смесь сгорает значительно эффективнее. Кроме того, мотор с турбокомпрессором работает менее шумно, чем «атмосферник».

Недостатки турбодвигателя

В отличие от атмосферного двигателя, турбодвигатель очень привередлив к качеству потребляемого горючего. Если не контролировать этот вопрос, то турбина очень скоро может выйти из строя. Кроме того, из-за специфики конструкции двигатели с турбонаддувом следует прогревать в любое время года.

Этот тип силовых агрегатов нуждается в особой заботе в вопросах использования смазочных материалов. Обычные минеральные и синтетические масла категорически запрещается заливать в двигатель с турбиной. Для них предназначаются специальные виды масел, которые достаточно дорого стоят. Кроме того, как отмечают специалисты автосервиса Favorit Motors, замена масла рекомендуется каждые 10 тысяч километров (при эксплуатации в городских условиях).

Устройство и принцип работы атмосферного двигателя

Система запитывания атмосферного двигателя основана на инжекторном или карбюраторном механизме. Топливовоздушная смесь формируется в строгой пропорции: 1 часть бензина + 14 частей воздуха.

Принцип работы «атмосферника» заключается в том, что топливо впрыскивается в цилиндр без сопротивления. Это стало возможным благодаря сложным и тонким настройкам в распределительном валу, который открывает впускающий клапан. После впрыска смесь сгорает, а выделившиеся газы приводят в движение поршни.

Атмосферный двигательный аппарат назван так потому, что давление воздуха при попадании в мотор, равняется одной атмосфере. В его конструкции не используются турбонагнетатели, он функционирует при стандартном атмосферном давлении.

Преимущество в использовании атмосферного двигателя заключается в том, что на каких бы оборотах он не работал в данный момент, у него всегда будет определенный запас мощности. Это позволяет максимально быстро ускоряться при любой начальной скорости движения. До максимально возможного количества оборотов атмосферный силовой агрегат «раскрутится» за считанные секунды.

Достоинства атмосферного двигателя

Рано или поздно даже самый надежный мотор может потребовать вложений и качественного ремонта. Атмосферный агрегат имеет более простое строение, чем турбированный мотор, а потому и проведение ремонтных работ обойдется дешевле.

Срок службы атмосферника гораздо выше, чем у турбированного мотора. Это обусловлено более мягкими условиями эксплуатации и отсутствием повышенных нагрузок. Поэтому рабочий ресурс атмосферного двигателя в среднем вдвое выше, чем у турбины.

В качестве приятного бонуса для автовладельцев специалисты ГК Favorit Motors могут привести следующий факт. Атмосферные агрегаты не требуют постоянно контроля смазки и менее требовательны к качеству используемых масел. В их конструкции отсутствуют устройства, которые нуждаются в дополнительной смазке. Это же касается и выбора топлива: атмосферный двигательный агрегат менее требователен к качеству горючего. Кроме того, замена смазочной жидкости производится реже — каждые 15-20 тысяч километров пробега.

И еще один плюс «атмосферника». Российские водители уже смогли убедиться, что атмосферный силовой агрегат даже зимой прогревается быстрее, чем его турбированный собрат.

Недостатки атмосферного двигателя

Самым главным минусом такого двигателя можно считать отсутствие высоких крутящих моментов. Атмосферный агрегат проигрывает турбированному в плане мощности. Такой автомобиль будет идеальным для неспешных поездок по городу, но в качестве трассового авто для молодежных гонок явно не подойдет.

Расход топлива для такого двигателя будет достаточно высок. Как отмечают специалисты ГК Favorit Motors, в среднем автомобиль с атмосферным двигателем потребляет не менее 11-12 литров горючего на 100 километров пути.

Итоги

Выбирать автомобиль с турбированным или атмосферным агрегатом стоит, исходя из своих личных предпочтений и возможностей. У каждого из этих типов моторов есть свои плюсы и минусы. Турбодвигатель будет мощнее и динамичнее, однако требователен в уходе и обходится дороже. Атмосферный двигатель не такой мощный, зато гораздо дешевле в плане эксплуатации и ремонта.

В наличии в компании Favorit Motors имеется множество разных моделей автомобилей как с атмосферными двигателями, так и с турбированными. Компетентный персонал поможет подобрать автомобиль, исходя из пожеланий и предпочтений каждого клиента.

Как турбированный, так и атмосферный силовой агрегат со временем может начать работать с перебоями или вообще отказать. Современные модели автомобилей оснащены высокотехнологичными электронными системами управления двигателем, поэтому диагностику и ремонт моторов следует выполнять только в специализированных автосервисах.

Автосервис Favorit Motors оснащен полным комплексом диагностического и ремонтного оборудования для диагностики и устранения неисправностей турбированных и атмосферных силовых агрегатов. Для обслуживания и ремонта здесь используются только качественные сертифицированные запчасти, а мастера техцентра обладают многолетним опытом работ. Все операции выполняются в соответствии с технологическими картами заводов-изготовителей, что обеспечивает высокое качество и сжатые сроки ремонта. На все детали и ремонтно-восстановительные работы предоставляется гарантия.

Специалисты компании Favorit Motors напоминают, что своевременное регламентное обслуживание способно значительно продлить срок эксплуатации силового агрегата. Необходимо регулярно менять масло в соответствии с пробегом и устранять выявленные неисправности.

Подборка б/у автомобилей Skoda Octavia

Super Turbocharging the Direct Injection Diesel Engine

В настоящем исследовании моделируется устойчивая работа дизельного двигателя с непосредственным впрыском (TDI) с турбонаддувом и механизмом изменения передаточного числа, соединяющим вал турбонагнетателя с коленчатым валом. Ключевыми параметрами механизма с регулируемым передаточным числом являются диапазон передаточных чисел, эффективность и инерция, а также возможность управления относительной скоростью и потоком мощности. Устройство получает энергию от коленчатого вала или турбонагнетателя или передает энергию им.Таким образом, помимо поршней двигателя внутреннего сгорания (ДВС), также турбокомпрессор вносит свой вклад в общую механическую мощность двигателя. Подача энергии от коленчатого вала в основном необходима во время резких ускорений, чтобы избежать турбонаддува и увеличить крутящий момент на низких скоростях. На низких скоростях резко увеличивается максимальный крутящий момент, радикально расширяя диапазон нагрузок. Кроме того, приближаясь к точкам работы сбалансированного турбонагнетателя, также можно улучшить как КПД η , определяемый как отношение мощности коленчатого вала поршня к мощности потока топлива, так и общий КПД η * , определяемый как отношение мощности поршневого коленчатого вала, увеличенной мощности от вала турбонагнетателя, к мощности потока топлива, даже если она минимальна.Подача энергии к коленчатому валу возможна в основном при высоких скоростях и высоких нагрузках, когда в противном случае турбина могла бы быть закрыта впустую, а также во время замедления. Использование энергии в турбине, которое в противном случае приводило бы к отходам, приводит к повышению общего КПД преобразования топлива на η * больше, чем КПД η . Гораздо меньшие улучшения достигаются для максимального крутящего момента, опять же, приближаясь к точкам работы сбалансированного турбонагнетателя. Использование гораздо большего турбонагнетателя (целевой рабочий объем x частота вращения на 30% больше, чем у обычного турбонагнетателя), лучший выход крутящего момента и эффективность преобразования топлива η * и η возможны на любой скорости по сравнению сдвигатель с меньшим сбалансированным турбонагнетателем. Этот результат мотивирует дальнейшие исследования механизма, который может значительно улучшить традиционные силовые агрегаты на базе дизельных двигателей.

1 Введение

Нагнетатели повышают давление на впуске за счет работы сжатия, снимаемой с коленчатого вала. Полностью теряется энергия выхлопных газов. Турбокомпрессоры повышают давление на впуске за счет энергии выхлопных газов, которые расширяются через коаксиальную турбину за счет повышенного противодавления.

Турбокомпрессоры

обычно более эффективны, чем нагнетатели, и имеют лучшие характеристики во всем диапазоне скоростей и нагрузок. Поскольку нагнетатели приводятся в движение коленчатым валом через механизмы с регулируемым передаточным числом, наддув не зависит от энергии выхлопных газов. В турбонагнетателе наддув зависит от энергии выхлопных газов, поскольку работа в турбине равна работе в компрессоре при равновесной скорости. Обычно турбокомпрессор управляется перепускным клапаном на турбине, который снижает количество энергии, рекуперированной в турбине для работы компрессора.В то время как на высоких скоростях турбина является закрытой, на низких скоростях энергия, доступная в турбине, минимальна, и наддув уменьшается. Отсутствие наддува также наблюдается во время резких ускорений, поскольку энергии турбины недостаточно для выполнения требуемой работы компрессору (турбо-задержка). Таким образом, турбокомпрессор расходует часть рекуперируемой энергии в выхлопе на высокой скорости или во время резких замедлений и не имеет достаточной энергии на турбине во время резких ускорений и на низких скоростях.В нагнетателе вся энергия выхлопных газов теряется.

В то время как в турбонагнетателе скорость вращения может изменяться в широких пределах, с нагнетателем скорость компрессора ограничивается характеристиками механизма, соединяющего коленчатый вал с валом компрессора. В нагнетателях помимо центробежных компрессоров также используются объемные компрессоры.

В традиционных турбонагнетателях вал турбонагнетателя не соединен с коленчатым валом, и мощность компрессора идеально сбалансирована мощностью от турбины, при этом перепускной клапан турбины дает возможность контролировать рабочую точку, уменьшая поток через турбину.Если вал турбокомпрессора соединен с коленчатым валом через механизм с изменяемым передаточным числом, это открывает новый мир возможностей, так как турбокомпрессор может работать со скоростью, отличной от равновесной, а мощность может подаваться на коленчатый вал или отводиться от него. Это нововведение, которое изучается здесь, направлено на улучшение рекуперации наддува и отходящего тепла и, в конечном итоге, на повышение общей эффективности преобразования топлива и крутящего момента на любой скорости.

Поскольку дополнительная работа турбины может быть собрана на коленчатом валу, турбокомпрессор может быть выбран гораздо большего размера, чем в традиционной установке турбокомпрессора.

Управление частотой вращения турбонагнетателя и, следовательно, потоком мощности к коленчатому валу или от вала турбонагнетателя, а также повышением давления теперь достигается за счет управления передаточным числом через механизм.

1,1 VanDyne Super Turbocharger

Название супер турбокомпрессор не новинка. VanDyne Super Turbocharger (или SuperTurbo) [1–4] — это турбокомпрессор, соединяющий вал турбокомпрессора с коленчатым валом. Изобретение, указанное в [2], приводит в действие турбокомпрессор до определенной скорости или давления во впускном коллекторе.Когда энергия выхлопных газов обеспечивает больше работы, чем требуется для приведения в действие впускного компрессора, изобретение восстанавливает эту избыточную энергию, чтобы добавить крутящий момент к коленчатому валу. Изменяя передаточное число бесступенчатой ​​трансмиссии (CVT), SuperTurbo в принципе может потреблять мощность от коленчатого вала, работающего как нагнетатель, или передавать энергию коленчатому валу, работающему как турбокомпрессор. Функция нагнетателя SuperTurbo улучшает переходные характеристики двигателя с уменьшенным размером и турбонаддувом, а функция турбонаддува дает возможность извлекать доступную энергию выхлопных газов из турбины, а не открывать перепускной клапан.

В практическом применении ссылки [4] высокоскоростной тяговый привод используется для обеспечения снижения скорости от вала высокоскоростной турбины, в то время как второй тяговый привод обеспечивает плавное регулирование передаточных чисел через вариатор. Однако передаточное отношение вала турбонагнетателя к коленчатому валу двигателя ограничено. Механизм состоит из зубчатых пар, насоса с наклонной шайбой, рычага управления, электродвигателя, гидравлических линий, но в нем отсутствует современный вариатор, такой как тороидальный вариатор Tototrak [5, 6] или тороидальный вариатор Nissan Extroid [7] для управления. передаточное число и поток энергии между турбонагнетателем и коленчатым валом.

1.2 Нагнетатель Torotrak с регулируемой скоростью

В 2012 году Torotrak предложила технологию наддува с регулируемой частотой вращения [5], позволяющую запускать нагнетатель в широком диапазоне оборотов в минуту и ​​наддува независимо от частоты вращения двигателя. Механизм состоит из вариатора тягового привода (TDV) и эпициклического тягового привода (TDE), которые изменяют скорость центробежного нагнетателя. Механизм получает от двигателя повышающую передачу 3: 1. TDV регулирует передаточное число от 0,35: 1 (понижающая передача) до 2.82: 1 (овердрайв). TDE обеспечивает фиксированное увеличение передаточного отношения 12,67: 1. Механизм может вращать центробежный компрессор от 13,3 до 107,2 оборотов двигателя в бесступенчато регулируемой величине [5]. Вариатор из [5] аналогичен по конструкции тороидальному вариатору, предложенному для чисто механических систем рекуперации кинетической энергии (KERS) F1 [6] на основе маховика. Двунаправленный двойной тороидальный вариатор был ранее предложен Торотраком для F1 KERS [6]. С Torotrak V-Charge [5] скорость компрессора может быть в пределах 4.В 43 и 35,73 раза больше оборотов двигателя. Таким образом, для частоты вращения двигателя 3000 об / мин скорость компрессора может быть изменена между 13 300 и 107 200 об / мин. Передаточное отношение вала турбонагнетателя к коленчатому валу двигателя широкое. Этот вариатор подходит для управления передаточным числом и потоком энергии между турбонагнетателем и коленчатым валом.

1,3 F1 МГУ-H

Бензиновый двигатель с непосредственным впрыском (DI) с турбонаддувом, входящий в состав гибридной электрической трансмиссии, с установленным на валу турбокомпрессора двигателем-генератором типа F1 (MGU-H) был недавно исследован в [8].На рисунке 1 представлена ​​схема турбонагнетателя со стороны компрессора (а) или между компрессором и турбиной (b) со стороны блока двигателя / генератора (b), как это используется в Формуле-1, например, Renault или Ferrari в сезоне 2014 года. MGU-H получает или передает энергию в тот же накопитель энергии (ES) гибридного силового агрегата, который включает в себя мотор-генератор на трансмиссии (MGU-K) в дополнение к двигателю внутреннего сгорания (ICE). Подача энергии от ES в основном необходима во время резких ускорений, чтобы избежать турбо-лага и увеличить крутящий момент на низких скоростях.На низких оборотах он также улучшает отношение мощности коленчатого вала двигателя к мощности потока топлива, а также отношение мощности коленчатого вала двигателя плюс мощность вала турбонагнетателя к мощности потока топлива. Подача энергии к ES возможна при высоких скоростях и нагрузках, где в противном случае турбина могла бы быть закрытой, а также во время замедления. Это улучшает соотношение мощности коленчатого вала двигателя и вала турбонагнетателя к мощности потока топлива. Однако в этом случае мощность, подаваемая на вал турбонагнетателя, идет на подзарядку аккумулятора через MHU-H и не поступает непосредственно на колеса.Точно так же мощность, потребляемая от вала турбонагнетателя, вырабатывается путем разряда батареи через MHU-H и не влияет на поток мощности к колесам. Поскольку каждое изменение формы энергии, с механической на электрическую, на химическую и наоборот, происходит с КПД менее 100%, чисто механический супер-турбонаддув также имеет преимущества по сравнению с гибридным электрическим супер-турбонаддувом. Эти преимущества рассматриваются здесь для дизельного двигателя, в котором повышение давления не ограничивается детонацией.

Фиг.1

Схема турбонагнетателя со стороной компрессора (а) или между компрессором и турбиной (b) со стороны двигателя / генератора, как используется в F1.

2 Предлагаемый супер-турбонагнетатель с широким диапазоном частоты вращения

В предлагаемом нововведении турбонагнетатель увеличенного размера соединен с коленчатым валом через другой механизм изменения передаточного числа. Конструкции да Винчи бесступенчатого вариатора датируются 1490 годом.В 1886 году был подан первый патент на тороидальный вариатор. Конструкция полутороидальной бесступенчатой ​​трансмиссии (CVT), используемая здесь, предлагается во многих статьях, таких как [9]. В этой статье предлагаются геометрические и кинематические величины, силы, крутящий момент и эффективность, контактное давление и смазка полутороидального вариатора. Устройство с регулируемым передаточным числом, аналогичное характеристикам Torotrak V-Charge, может использоваться для запуска турбокомпрессора увеличенного размера в предлагаемом приложении. А 13.В настоящей заявке рассматривается механизм передаточного отношения от 2 до 107,2. CVT должен обеспечивать непрерывное передаточное число переменной скорости от понижающей передачи 1: (2,85) до повышающей передачи (2,85): 1, хотя и имеет тороидальную конструкцию. Конечное передаточное число достигается за счет использования одной или нескольких зубчатых пар с общим передаточным числом 37,6: 1. Этот механизм позволяет передавать на коленчатый вал положительную разницу между работой турбины и компрессора или получать от коленчатого вала отрицательную разницу между работой турбины и компрессора с оптимальной скоростью.Механизм действует в двух направлениях, то есть может передавать мощность на коленчатый вал или от коленчатого вала и турбокомпрессора, и он соединен с валом турбокомпрессора, а не с валом компрессора. Существование продукта — нагнетателя с регулируемой скоростью Torotrack — с бесступенчатой ​​трансмиссией с таким же передаточным числом, как у предлагаемого здесь, является доказательством осуществимости этого устройства.

Рабочая скорость турбонагнетателя — это скорость, которая максимизирует общий выходной крутящий момент на коленчатом валу и общую топливную эффективность. η *, определяемая как отношение мощности на поршневом коленчатом валу, увеличенной мощности от вала турбонагнетателя к мощности потока топлива. .В случае традиционного турбонагнетателя работа турбонагнетателя направлена ​​только на максимальное увеличение работы поршня и КПД η , определяемый как отношение мощности поршневого коленчатого вала к мощности потока топлива.

В данной работе рассматривается дизельный, а не бензиновый двигатель, как в ссылках [1–4] (или [8]). Турбина может рекуперировать намного больше энергии, чем энергия, необходимая для компрессора, и вносить вклад в общий выходной крутящий момент на коленчатом валу с разницей между работой турбины и компрессора.Точно так же, когда компрессору требуется больше энергии, чем энергия, доступная в турбине, именно эта разница обеспечивается коленчатым валом. Эффективность механизма только весит на разнице между работой компрессора и турбины. При работе турбокомпрессора на более высокой скорости, чем уравновешивающая скорость, компрессор выполняет больше работы, давление на впуске увеличивается, больше воздуха задерживается внутри цилиндра, больше топлива впрыскивается при сгорании, больше работы совершается поршнями, и больше работы совершается выхлопными газами, расширяющимися через турбину.Это увеличивает общий крутящий момент и общую эффективность преобразования топлива.

На рис. 2 представлена ​​схема турбонагнетателя со стороной компрессора CVT для механического соединения с желобными шестернями коленчатого вала (a, b), рассматриваемыми в настоящем исследовании. Здесь рассматриваются варианты компрессора со стороны вариатора для механического соединения с коленчатым валом через двойной тороидальный вариатор и 3 пары шестерен или один тороидальный вариатор с 1 парой зубчатых колес к / от коленчатого вала. Бесступенчатая трансмиссия состоит из входного и выходного диска (дисков) и приводных роликов, с передаточным числом, равным отношению радиусов входного и выходного контакта.Также может быть добавлено сцепление для обеспечения сбалансированной работы турбонагнетателя без привязки к скорости двигателя, если / когда это будет сочтено целесообразным. Конструкции бесступенчатой ​​трансмиссии (а) и (b) — это лишь две из множества возможностей, которые необходимо дополнительно изучить в механической конструкции вала трансмиссионного турбонагнетателя от / к коленчатому валу.

Рис.2

Схема турбонагнетателя со стороной вариатора компрессора для механического соединения с коленчатым валом через двойной тороидальный вариатор, тороидальный и 3 пары шестерен (а) или одиночный тороидальный вариатор с 1 парой зубчатых колес (б).

Механическая система имеет недостатки в упаковке и гибкости по сравнению с электрической системой. Однако его преимущества заключаются в полной механической интеграции, увеличивающей выходную мощность коленчатого вала.

CVT должен обеспечивать непрерывное передаточное число переменной скорости от понижающей передачи 1: (2,85) до повышающей передачи (2,85): 1 посредством тороидальной конструкции, такой как предложенная на Рисунке 1 (b). Если r 1 — радиус контакта на входном диске, а r 2 — радиус контакта на выходном диске, (симметричный) тороидальный вариатор работает от r 2 / r 1 = 2.85 по r 1 / r 2 = 2,85. Поскольку поток мощности через вариатор ограничен, конструкция двойного тороидального вариатора, показанная на Рисунке 1 (а), типичная для трансмиссий двигателя или гоночного механического маховика KERS, не нужна. При изменении r 1 / r 2 изменяется относительная частота вращения турбокомпрессора и компрессора, и, следовательно, наддув и мощность на коленчатый вал или от него.

3 Вычислительный метод

Моделирование рабочих характеристик двигателя (например, хорошо известные из справочников [10, 11], лидеры отрасли в этой области) позволяют рассчитать работу двигателя для заданной геометрии при различных условиях эксплуатации.Точность моделирования повышается за счет применения передового опыта и обширных проверок по сравнению с экспериментами. Настоящее моделирование выполнено для шестицилиндрового дизельного двигателя TDI V с соотношением диаметр цилиндра / ход поршня 0,829, отношение длины шатуна к ходу хода 1,896, степень сжатия 18,5: 1, максимальное отношение давлений через компрессор 4,0, рабочий объем 3,8 литра. Этот двигатель предназначен для гоночных автомобилей, а не для легковых автомобилей.

Критическим аспектом моделирования, в остальном довольно простым, является моделирование горения.Сгорание здесь моделируется с помощью функции дизельного топлива Wiebe, состоящей из табулированных параметров в зависимости от скорости и нагрузки. Скорость горения задается с помощью трехчленной функции Вибе. Константы Вибе должны соответствовать скорости тепловыделения, рассчитанной на основе измеренного давления в цилиндре. Константы Вибе включают в себя: задержку зажигания (задержка в градусах угла поворота коленчатого вала между началом впрыска и началом сгорания), предварительно смешанная фракция (фракция топлива, которая смешивается перед началом сгорания и сгорает предварительно смешанной), хвостовую фракцию (долю топлива, которая ожоги за пределами основного диффузионного ожога), продолжительность предварительно смешанного ожога (продолжительность в градусах угла поворота кривошипа для предварительного ожога), основная продолжительность (продолжительность в градусах угла поворота кривошипа основного диффузионного ожога) и, наконец, продолжительность хвостового ожога (продолжительность в градусах угла поворота кривошипа хвостового ожога изгиб).Модель также требует указания предварительно смешанной экспоненты, главной экспоненты и хвостовой экспоненты. Функция Wiebe для дизельного двигателя представлена ​​в виде таблицы для воспроизведения экспериментальной скорости тепловыделения, рассчитанной на основе давления в цилиндре для базового дизельного двигателя, который работает с другим турбонагнетателем и другими наддувами. Поскольку предполагается, что температура и давление внутри цилиндра увеличатся, это в конечном итоге приведет к более высокой скорости сгорания. Модель аппроксимирует одним эквивалентным событием впрыска тепловыделение более сложного впрыска, состоящего из нескольких фаз, поскольку стратегия впрыска в современных дизельных двигателях с прямым впрыском основана на последовательности событий впрыска.Дальнейшее улучшение точности моделирования возможно только после экспериментов с двигателем.

4 Результаты

Здесь представлены моделирование двигателя с воспламенением от сжатия, работающего с валом турбонагнетателя, соединенным с коленчатым валом с помощью механизма изменения передаточного числа. Турбокомпрессор намеренно увеличен в размерах, а также увеличены размеры портов, диаметров клапанов и подъемников. Турбокомпрессор предназначен для использования с максимальной скоростью x рабочий объем, который на 30% больше нынешнего 3.8 литров × 4500 об. / Мин. Предполагается, что эффективность механизма с изменяемым передаточным числом, обеспечивающего передаточное число от 13,3 до 107,2, составляет 90%.

На рисунке 3 представлены карты турбины и компрессора. a) и b) карты компрессора, c) и d) карты турбины. Значения скорректированы на 298 К и 100 кПа. Уменьшенные значения соответствуют формулам:

р п M р е d ты c е d знак равно р п M а c т ты а л Т я п л е т — т о т а л м ˙ р е d ты c е d знак равно м ˙ а c т ты а л ⋅ Т я п л е т — т о т а л п я п л е т — т о т а л

Рис.3

Карта компрессора. Скорость (a) и эффективность (b) в зависимости от степени давления и скорректированного массового расхода. Линии скорости компрессора от 8 644 до 102 000 об / мин. Карта турбины. Скорость (c) и эффективность (d) в зависимости от степени давления и скорректированного массового расхода.

С частотой вращения турбонагнетателя, давлением P, температурой T и массовым расходом. Турбокомпрессор имеет области оптимальной работы, области, где он работает менее эффективно, и области, где он не может работать. Соединение коленчатого вала с помощью механизма изменения передаточного числа позволяет искать оптимальную рабочую точку, изменяя передаточное число и, следовательно, скорость турбокомпрессора в дополнение к другим типичным параметрам управления традиционного турбокомпрессора.

На рис. 4 представлена ​​созданная модель. Вал турбины и компрессора через шестерни соединены с коленчатым валом двигателя. Передаточное число задано различным для каждой частоты вращения двигателя и нагрузки, но одинаково для турбины и компрессора. На максимальной скорости компрессор работает в зоне между линией помпажа с левой стороны и линией дроссельной заслонки с правой стороны для всех массовых расходов в диапазоне скоростей двигателя. Компрессорная система, включая вариатор и шестерню, соединяющую вал с коленчатым валом, выбрана таким образом, чтобы расчетные рабочие точки не выходили за пределы линий помпажа и дросселирования.

Виртуальные модели двигателей разработаны с использованием программного обеспечения GT-SUITE [11, 17]. GT-SUITE — это один из ведущих в отрасли инструментов моделирования характеристик двигателя, применяемый производителями оригинального оборудования (OEM), исследовательскими центрами и академическими учреждениями и предлагаемый на многих курсах бакалавриата и магистратуры по автомобильной инженерии. Этот специфический инструмент существует уже 3 десятилетия. Почти 800 из множества опубликованных статей, посвященных разработке, проверке и применению моделей GT-SUITE разработчиками, перечислены в [17].Рисунок 4 позволяет оценить детали модели. В дополнение к элементам потока, в которых решается зависимое от времени уравнение сохранения массы, импульса, энергии и компонентов, на эскизе также показаны специальные элементы, такие как цилиндры двигателя и форсунки, а также элементы компрессора и турбины, имеющие более сложное определение. . Следует отметить, что компрессор и турбины связаны с коленчатым валом отдельными механическими звеньями. Это требует ручной постобработки результатов, чтобы уменьшить механические потери турбонагнетателя, пропорциональные полезной мощности, подаваемой на турбонагнетатель или от него.Более подробную информацию о моделировании можно найти в [11] и [17].

Кинематическое передаточное число и механический КПД, которые представляют собой потери на трение в зубчатом соединении между коленчатым валом и валом турбонагнетателя, предписываются для каждой рабочей точки нагрузки (BMEP) x скорости. Механический КПД трения также определяется для вала как отношение выходной мощности к входной мощности. Этот параметр также предписывается для каждой рабочей точки нагрузка × скорость.

Аналогично тому, что было сделано в [8], установка модели не позволяет напрямую вычислить поток мощности к / от коленчатого вала, поскольку только разница между мощностью турбины и компрессора проходит через вариатор и зубчатая пара до коленвала.В [8] только разница между мощностью турбины и компрессора подавалась на MGU-H для зарядки или разрядки батареи. Общая мощность на коленчатом валу, а также вклад поршней и турбонагнетателя корректируются во время постобработки. Если P t — полная мощность турбины, а P c — полная мощность компрессора, тогда Δ P t , c = (P t −P c )> 0, то мощность, передаваемая на коленчатый вал, составляет Δ P t , c η CVT , где η CVT , КПД вариатора и зубчатой ​​пары.И наоборот, когда Δ P t , c = (P t −P c ) <0, то мощность, потребляемая от коленчатого вала, составляет Δ P t , c / η CVT .

На Рисунке 5 представлены предварительные результаты работы. a) и b) — это степень давления в компрессоре и турбине, а c) и d) — это соотношение скоростей турбокомпрессор / двигатель и частота вращения турбонагнетателя.e) и f) — отношение мощности турбонагнетателя к общей мощности и общий КПД преобразования топлива η *, отношение мощности на коленчатом валу и валу турбонагнетателя к мощности потока топлива в зависимости от среднего эффективного давления и скорости в тормозной системе.

Рис.5

Предварительные результаты расчетов, различные рабочие параметры двигателя в зависимости от частоты вращения двигателя в об / мин и среднего эффективного давления в тормозной системе в барах. Соотношение давлений в компрессоре (а) и турбине (б).Отношение частоты вращения турбокомпрессора к коленчатому валу двигателя (c) и частота вращения турбонагнетателя (d). Отношение мощности турбонагнетателя к мощности коленчатого вала (e) и общий КПД двигателя η * (отношение мощности на коленчатом валу плюс мощность на валу турбонагнетателя к мощности потока топлива) (f).

Максимальная частота вращения турбокомпрессора 150 000 об / мин. При средней нагрузке на любой скорости обеспечивается очень высокая степень сжатия около 4, при этом это отношение лишь минимально снижает, увеличивая скорость двигателя выше 3000 об / мин.При высокой нагрузке максимальная частота вращения турбокомпрессора разрешена выше 1500 об / мин. Только в диапазоне малых нагрузок частота вращения турбокомпрессора может быть чрезмерной.

Это результат предписанного минимального передаточного числа 13,3, так как турбокомпрессор, отсоединенный от механизма, мог бы лучше работать ниже этого передаточного числа. Более широкое передаточное число или сцепление могут решить эту проблему.

С традиционным турбонагнетателем максимальный крутящий момент составляет около 3000 об / мин, при очень плохих характеристиках ниже этой частоты вращения двигателя, а максимальная мощность составляет 4500 об / мин.Увеличиваются и максимальный крутящий момент, и максимальная мощность. Широко распространена область с КПД выше 40%, от 15 до 40 бар и от 2000 до 4000 об / мин. При максимальной нагрузке рассматривается λ 1,4.

При частоте вращения выше 4000 об / мин эффективность снижается в основном из-за зависимости трения от скорости и усложнения процесса сгорания (4500 об / мин — это технологический предел сгорания дизельного топлива с диффузионным регулированием). Ниже 2000 об / мин эффективность снижается, поскольку выхлопные газы не поддерживают более высокие скорости компрессора.Однако КПД по-прежнему выше, чем можно было бы достичь без подачи энергии на вал турбонагнетателя. Работая с частичной нагрузкой, турбокомпрессор продолжает получать энергию на низких скоростях — при средних или высоких нагрузках, а на высоких скоростях — при средних и высоких нагрузках турбокомпрессор обычно выдает энергию. Турбонагнетатель вносит значительный вклад в общую мощность двигателя, особенно при высоких скоростях и нагрузках. Для конкретного двигателя и турбонагнетателя дополнительная мощность турбонагнетателя может приближаться к 10% мощности коленчатого вала двигателя.На низких оборотах мощность турбонагнетателя отрицательная, требуя почти 20% мощности коленчатого вала двигателя. Минимум λ для полной нагрузки составляет 1,4. λ увеличивается до 6,5–7, снижая нагрузку до 1 бар BMEP. Поскольку карта передаточного отношения не полностью оптимизирована, дальнейшие улучшения в общей карте эффективности преобразования топлива все еще возможны.

Не показан в статье, предлагаемый двигатель с автономным турбонагнетателем увеличенного размера (не соединенным с коленчатым валом через шестерню и вариатор) имеет очень низкий крутящий момент и очень низкую эффективность преобразования топлива в диапазоне низких скоростей.В предлагаемом устройстве крутящий момент на низкой скорости увеличивается до значений средней скорости, рис. 5f, в то время как эффективность лишь незначительно снижается при снижении скорости с 2000 до 1000 об / мин.

На рис. 6, наконец, представлена ​​мощность, подаваемая на коленчатый вал от вала турбонагнетателя (положительное значение для работы турбины больше, чем для работы компрессора) плюс отношение радиусов впуска и выпуска в вариаторе. Мощность максимальная при высоких скоростях и нагрузках и минимальная при низких скоростях и средних и высоких нагрузках. Передаточное число CVT максимально при низкой скорости и средних и высоких нагрузках и минимально при низких нагрузках.Он также уменьшается за счет увеличения скорости. Эти данные являются рабочими входными данными, необходимыми для проверки механической правильности конструкции вариатора.

Фиг.6

Предварительные результаты расчетов в зависимости от частоты вращения двигателя в об / мин и среднего эффективного давления в тормозной системе в барах. Мощность на валу турбокомпрессора (а) и передаточное число (или отношение радиусов впуска к выпускному) на вариаторе (b).

5 Обсуждение и заключение

Здесь предлагается супертурбонагнетатель, соединяющий вал турбонагнетателя с коленчатым валом через вариатор и шестерню.Этот супертурбонагнетатель отличается от системы VanDyne, где вал турбонагнетателя соединен с коленчатым валом через шестерню, или нагнетателя с регулируемой скоростью Torotrak, где вариатор и шестерня соединяются с коленчатым валом только валом компрессора.

Предлагаемое нововведение позволяет достичь максимального среднего эффективного давления в тормозах 40 бар в дизельном двигателе на обедненной смеси с минимальным давлением λ 1.4. Нововведение обеспечивает высокий наддув на любой скорости, а также высокую эффективность преобразования топлива, превышающую 40%, на большей части графика нагрузки x скорости, отсутствие турбо-лага и снижение потерь тепла выхлопных газов.

Инновация включает теоретически готовые компоненты (конечно, турбокомпрессор, более сомнительно устройство с регулируемым передаточным числом).

Результаты расчетов должны быть проверены во время экспериментов с двигателем.

Что касается выхлопного тепла блока двигателя-генератора типа F1 (MGU-H), соединяющего вал турбонагнетателя с тяговой батареей, такой как [8], то предлагаемая конструкция имеет значительное преимущество, заключающееся в подаче энергии на коленчатый вал, а не на батарею, тем самым увеличивая мощность двигателя в остальном не изменилась.С точки зрения эффективности чисто механическое соединение лучше, чем преобразование механической энергии в электрическую, затем химическую, затем обратно в электрическую и, наконец, в механическую энергию, как в MGU-H в стиле F1. Предлагаемое нововведение превосходит MGU-H типа F1 [8] как по мощности двигателя, так и по эффективности преобразования топлива и не требует гибридной электрической силовой передачи.

Этот результат мотивирует дальнейшие исследования механизма, который может значительно улучшить традиционные силовые агрегаты на базе дизельных двигателей.

Утверждение об электрическом MGU-H в стиле F1 следует из того факта, что предложенный механизм передает или получает энергию непосредственно от коленчатого вала или к нему без какого-либо преобразования энергии. В MGU-H типа F1 турбокомпрессор подает или получает энергию от накопителя энергии, батареи, или получает ее, с преобразованием механической энергии в электрическую, а затем в химическую энергию или преобразованием химической энергии в электрическую и затем в механическую энергия, с эффективностью каждого процесса преобразования энергии все, кроме единства.Кроме того, в то время как в предлагаемом устройстве турбонагнетатель передает дополнительную энергию, доступную в конечном итоге коленчатому валу, и, следовательно, увеличивает чистую выходную мощность двигателя, в MGU-H типа F1 дополнительная мощность турбонагнетателя направляется в накопитель энергии, который может быть разряжен путем подачи энергия поступает в турбонагнетатель, когда баланс энергии восстанавливается, или на колеса через MGU-K системы рекуперации кинетической энергии, в этом случае снова возникают проблемы с преобразованием энергии. Хотя турбокомпрессор увеличенного размера имеет смысл с предлагаемым механическим соединением вала турбокомпрессора с коленчатым валом, нет никаких оснований использовать турбокомпрессоры увеличенного размера с электрическим MGU-H.

С максимальной эффективностью преобразования топлива в диапазоне от 40% для легковых автомобилей и выше 50% для грузовиков большой грузоподъемности и незначительными потерями эффективности в большей части диапазона нагрузок традиционные силовые агрегаты с дизельными двигателями превосходят всех других конкурентов. для экономии топлива по сравнению с реальными условиями вождения, с возможностью использования механической или электрической системы рекуперации кинетической энергии, необходимой для тяжелых городских условий вождения, характеризующихся частыми запусками и остановками [12].

Что касается выбросов оксидов азота, ахиллова пята дизельного двигателя, работающего на обедненной смеси, до сих пор не имеющего дополнительной обработки, которая может конкурировать с трехкомпонентным каталитическим нейтрализатором стехиометрического бензина, следует отметить, что различные альтернативы массового транспорта следует сравнивать с все соответствующие критерии, экологические, экономические и рабочие характеристики, на протяжении всего жизненного цикла транспортного средства, включая производство, эксплуатацию, техническое обслуживание и утилизацию, а также с помощью объективных испытаний [13].

В дополнение к дальнейшему развитию доочистки, производство оксидов азота также может быть уменьшено за счет использования прямого впрыска воды [14–16] в дополнение к рециркуляции выхлопных газов, поскольку эта мера может не только снизить тенденция к детонации и ограничению потерь тепла в бензиновых двигателях, а также к снижению температуры дымовых газов там, где / когда это необходимо, в дизельном топливе с обедненным сжиганием.

Эта статья — лишь еще один пример того, что еще есть значительные запасы для улучшения двигателя внутреннего сгорания.Если политически будущее двигателя внутреннего сгорания находится под угрозой [13], поскольку электромобиль предлагается для массовой мобильности до того, как будут решены проблемы с аккумулятором и производство возобновляемой электроэнергии, технически все еще нет лучшего варианта, чем внутренний двигатель внутреннего сгорания, при этом все еще возможны значительные улучшения в конструкции двигателя внутреннего сгорания и в гибридизации трансмиссии.

BMEP

среднее эффективное давление тормоза

Вариатор

Бесступенчатая коробка передач

ЛЕД

двигатель внутреннего сгорания

KERS

система рекуперации кинетической энергии

МГУ-Н

Мотор-генератор тепла выхлопных газов

МГУ-К

мотор-генератор кинетической энергии

η

мощность на коленчатом валу vs.мощность потока топлива

η *

Зависимость мощности от коленчатого вала и вала турбонагнетателя от мощности потока топлива

λ

относительное соотношение воздух-топливо

Ссылки

[1] VanDyne, E.A. и Вагнер Р., Компания Woodward Governor Company, 2008. Презентация супертурбокомпрессора.На конференции DEER, Детройт (Мичиган), август. energy.gov/sites/prod/files/2014/03/f8/deer08_vandyne.pdf Поиск в Google Scholar

[2] Ван Дайн, Э. и Гендрон, Т.А., Woodward Governor Company, 2009. Супер-турбонагнетатель. Патент США 7,490,594. Поиск в Google Scholar

[3] Chadwell, C.J. and Walls, M., 2010. Анализ уменьшенного двигателя с наддувом с использованием 1-D моделирования CFD. Технический документ SAE № 2010-01-1231. Искать в Google Scholar

[4] Riley, M.B., VanDyne, E.и Браун, Дж. У., Vandyne Superturbo, Inc., 2015. Супертурбонагнетатель с высокоскоростным тяговым приводом и бесступенчатой ​​трансмиссией. Патент США 9, 217, 363. Искать в Google Scholar

[5] www.enginelabs.com/news/inside-look-variable-speed-supercharging-technology/ Искать в Google Scholar

[6] Cross, D. и Brockbank, C., 2009. Механическая гибридная система, включающая маховик и вариатор для автоспорта и основных автомобильных приложений, технический документ SAE No.2009-01-1312. 10.4271 / 2009-01-1312 Искать в Google Scholar

[7] www.nissan-global.com/PDF/tcvt_e.pdf Искать в Google Scholar

[8] Boretti, A., 2017. F1 style MGU-H применяется к турбокомпрессору бензинового гибридного легкового электромобиля, Нелинейная инженерия, 10.1515 / nleng-2016-0069. Искать в Google Scholar

[9] Карбоне, Г., Мангиаларди, Л. и Мантриота, Г., 2004. Сравнение характеристик полнотороидальных и полутороидальных тяговых приводов. Теория механизмов и машин, 39 (9): 921–942.10.1016 / j.mechmachtheory.2004.04.003 Поиск в Google Scholar

[10] www.software.ricardo.com/Products/WAVE Поиск в Google Scholar

[11] www.gtisoft.com/gt-suite-applications/ propulsion-systems / gt-power-engine-Simulation-software / Поиск в Google Scholar

[12] Боретти, А., 2010, Сравнение топливной экономичности высокоэффективных дизельных и водородных двигателей, приводящих в движение компактный автомобиль с кинетической системой на основе маховика. системы рекуперации энергии, Международный журнал водородной энергетики 35 (16): 8417–8424.10.1016 / j.ijhydene.2010.05.031 Поиск в Google Scholar

[13] Боретти А., 2017, Будущее двигателя внутреннего сгорания после «дизельных ворот», Техническая статья SAE № 2017-28-1933. Поиск в Google Scholar

[14] Boretti, A. (2011), Стехиометрические измерения с закачкой воды, Международный журнал по водородной энергии 36: 4469–4473.10.1016 / j.ijhydene.2010.11.117 Поиск в Google Scholar

[ 15] Боретти, А., Осман, А. и Арис, И. (2011), Прямой впрыск водорода, кислорода и воды в новый двухтактный двигатель, International Journal of Hydrogen Energy 36: 10100–10106.10.1016 / j.ijhydene.2011.05.033 Искать в Google Scholar

[16] Боретти, А. (2013), Впрыск воды в двигатели с искровым зажиганием с прямым впрыском, с турбонаддувом, Прикладная теплотехника, 52 (1): 62–68.10.1016 /j.applthermaleng.2012.11.016 Искать в Google Scholar

[17] Gamma Technologies LLC, «GT-SUITE Publications». https://www.gtisoft.com/gt-suite/publications, 2015 (по состоянию на 15 октября 2015 г.). Искать в Google Scholar

6 различных типов турбонагнетателей и преимущества каждой установки

В чем разница между одинарными, двойными, двойными спиральными компрессорами, турбокомпрессорами с изменяемой геометрией или даже электрическими? В чем преимущества каждой установки?

Мир турбонаддува имеет такое же разнообразие, как и компоновки двигателей.Давайте посмотрим на разные стили:

  1. с одинарным турбонаддувом
  2. Твин-турбо
  3. Турбонагнетатель Twin-Scroll
  4. Турбина с изменяемой геометрией
  5. Регулируемый турбонагнетатель Twin Scroll
  6. Электротурбина

1. Однотурбо

Одни только турбонагнетатели обладают безграничной вариативностью.Различие в размере крыльчатки компрессора и турбины приведет к совершенно разным характеристикам крутящего момента. Большие турбины обеспечат высокую максимальную мощность, но меньшие турбины обеспечат лучшее рычание на низких частотах, поскольку они быстрее вращаются. Есть также одиночные турбины на шарикоподшипниках и опорных подшипниках. Шарикоподшипники обеспечивают меньшее трение для вращения компрессора и турбины, поэтому их намотка происходит быстрее (что увеличивает стоимость).

Преимущества

  • Экономичный способ увеличения мощности и КПД двигателя.
  • Простой, как правило, самый простой в установке вариант турбонаддува.
  • Позволяет использовать двигатели меньшего размера для выработки такой же мощности, как и более крупные безнаддувные двигатели, что часто позволяет снизить вес.

Недостатки

  • Одиночные турбины обычно имеют довольно узкий эффективный диапазон оборотов. Это затрудняет определение размеров, так как вам придется выбирать между хорошим крутящим моментом на низких оборотах или лучшей мощностью на высоких оборотах.
  • Турбо-отклик может быть не таким быстрым, как альтернативные настройки турбо.

2. Твин-турбо

Как и одиночные турбокомпрессоры, при использовании двух турбонагнетателей существует множество возможностей.У вас может быть один турбонагнетатель для каждого ряда цилиндров (V6, V8 и т. Д.). В качестве альтернативы можно использовать один турбонагнетатель для низких оборотов и байпас к большему турбокомпрессору для высоких оборотов (I4, I6 и т. Д.). У вас даже могут быть две турбины одинакового размера, одна из которых используется на низких оборотах, а обе — на более высоких. На BMW X5 M и X6 M используются турбины с двумя улитками, по одной с каждой стороны от V8.

Преимущества

  • Для параллельных сдвоенных турбин на V-образных двигателях преимущества (и недостатки) очень похожи на установки с одним турбонаддувом.
  • Для последовательных турбин или использования одного турбонагнетателя на низких оборотах и ​​обоих на высоких оборотах, это позволяет получить гораздо более широкую и пологую кривую крутящего момента. Лучше крутящий момент на низких оборотах, но мощность не снижается на высоких оборотах, как у небольшого турбонаддува.

Недостатки

  • Стоимость и сложность, так как вы почти вдвое увеличили количество компонентов турбины.
  • Существуют более легкие и более эффективные способы достижения аналогичных результатов (как описано ниже).

3. Twin-Scroll Turbo

Турбокомпрессоры с двойной спиралью лучше почти во всех отношениях, чем турбокомпрессоры с одной спиралью.Используя две прокрутки, импульсы выхлопа разделяются. Например, на четырехцилиндровых двигателях (порядок включения 1-3-4-2) цилиндры 1 и 4 могут подавать на одну спираль турбонагнетателя, а цилиндры 2 и 3 — на отдельную спираль. Почему это выгодно? Допустим, цилиндр 1 заканчивает рабочий ход, когда поршень приближается к нижней мертвой точке, и выпускной клапан начинает открываться. В то время как это происходит, цилиндр 2 заканчивает такт выпуска, закрывая выпускной клапан и открывая впускной клапан, но есть некоторое перекрытие.В традиционном турбонагнетателе с одной спиралью давление выхлопных газов из цилиндра 1 будет мешать притоку свежего воздуха в цилиндр 2, поскольку оба выпускных клапана временно открыты, уменьшая давление, достигающее турбонагнетателя, и влияя на то, сколько воздуха в цилиндр 2 втягивает. Разделение свитков устраняет эту проблему.

Преимущества

  • В выхлопную турбину передается больше энергии, а значит, больше мощности.
  • Более широкий диапазон эффективных оборотов наддува возможен благодаря различным конструкциям спиралей.
  • Возможно большее перекрытие клапанов без затруднения продувки выхлопных газов, что означает большую гибкость настройки.

Недостатки

  • Требуется особая компоновка двигателя и конструкция выхлопа (например: I4 и V8, где 2 цилиндра могут быть подключены к каждой спирали турбонагнетателя с равными интервалами).
  • Стоимость и сложность по сравнению с традиционными одинарными турбинами.

4. Турбокомпрессор с изменяемой геометрией (VGT)

Возможно, одна из самых исключительных форм турбонаддува, VGT ограничено в производстве (хотя довольно часто встречается в дизельных двигателях) из-за стоимости и экзотических требований к материалам.Внутренние лопатки внутри турбонагнетателя изменяют отношение площади к радиусу (A / R), чтобы соответствовать частоте вращения. На низких оборотах используется низкое соотношение A / R для увеличения скорости выхлопных газов и быстрого раскрутки турбокомпрессора. По мере увеличения оборотов соотношение A / R увеличивается, чтобы обеспечить увеличенный воздушный поток. В результате получается низкая турбо-задержка, низкий порог наддува и широкий и плавный диапазон крутящего момента.

Преимущества

  • Широкая плоская кривая крутящего момента. Эффективный турбонаддув в очень широком диапазоне оборотов.
  • Требуется только один турбо, что упрощает настройку последовательного турбонаддува до чего-то более компактного.

Недостатки

  • Обычно используется только в дизельных двигателях, где выхлопные газы ниже, поэтому лопатки не будут повреждены теплом.
  • Что касается бензина, то стоимость обычно обходится стороной, поскольку для обеспечения надежности приходится использовать экзотические металлы. Эта технология была использована на Porsche 997, хотя бензиновых двигателей VGT существует очень мало из-за связанных с этим затрат.

5. Регулируемый турбонагнетатель Twin-Scroll

Может быть, это решение, которого мы ждали? Во время участия в SEMA 2015 я остановился у стенда BorgWarner, чтобы ознакомиться с последними новинками в области турбонаддува. Среди концепций — переменный турбонаддув с двойной прокруткой, как описано в видео выше.

Преимущества

  • Значительно дешевле (теоретически), чем VGT, что делает приемлемый вариант для бензинового турбонаддува.
  • Обеспечивает широкую плоскую кривую крутящего момента.
  • Более прочная конструкция по сравнению с VGT, в зависимости от выбора материала.

Недостатки

  • Стоимость и сложность по сравнению с использованием одинарного турбонаддува или традиционного двойного прокрутки.
  • Эта технология использовалась и раньше (например, быстродействующий золотниковый клапан), но, похоже, она не прижилась в производственном мире.Вероятно, есть дополнительные проблемы с технологией.

6. Электротурбокомпрессоры

Использование мощного электродвигателя устраняет почти все недостатки турбонагнетателя.Турбо лаг? Ушел. Не хватает выхлопных газов? Без проблем. Турбо не может обеспечить крутящий момент на низких оборотах? Теперь это возможно! Возможно, следующая фаза современного турбонаддува, несомненно, есть и недостатки электрического тракта.

Преимущества

  • Непосредственно подключив электродвигатель к крыльчатке компрессора, турбо-задержку и недостаток выхлопных газов можно практически исключить, при необходимости вращая компрессор с помощью электроэнергии.
  • Подключив электродвигатель к выхлопной турбине, можно восстановить потерянную энергию (как это сделано в Формуле 1).
  • Очень широкий эффективный диапазон оборотов с равномерным крутящим моментом во всем.

Недостатки

  • Стоимость и сложность, поскольку теперь вы должны учитывать электродвигатель и следить за тем, чтобы он оставался холодным, чтобы предотвратить проблемы с надежностью. То же самое и с добавленными контроллерами.
  • Упаковка и вес становятся проблемой, особенно с добавлением батареи на борту, которая будет необходима для обеспечения достаточной мощности турбонагнетателя, когда это необходимо.
  • VGT или двойные прокрутки могут предложить очень похожие преимущества (хотя и не на том же уровне) при значительно более низкой стоимости.

История современного дизельного турбокомпрессора

Турбокомпрессор Garrett GT4094 на LB7 Duramax

Дизельные двигатели существуют всегда — точно так же, как и их бензиновые аналоги.И хотя у нас есть газовые двигатели без наддува, с наддувом и с турбонаддувом, турбокомпрессор остается подавляющим выбором на рынке дизельных двигателей, как и практически все современные дизельные двигатели. Конечно, возникает вопрос… почему?

НЕМНОГО ИСТОРИИ

Некоторые из вас могут быть достаточно взрослыми, чтобы помнить дымные и безнадежно маломощные безнаддувные дизельные автомобили и грузовики, которые производились в 1980-х годах. Хотя дизельные силовые установки позволили этим транспортным средствам получить очень хорошую топливную экономичность, вот и все; это было единственное, что предлагали эти машины.Разгон от 0 до 60 миль в час в некоторых случаях приближался к половине минуты, общественность в ответ отказалась от этих дизельных предложений, а двигатели с воспламенением от сжатия выбирались так редко, что многие производители исключили дизели из своих модельных рядов.

В конце концов, именно тяжелые пикапы спасли положение в конце 1980-х — начале 1990-х, когда Ford, Dodge и GM прыгнули на подножку турбированного двигателя. Уровни мощности и крутящего момента начинались достаточно невинно, с большинства предложений в диапазоне 160 л.с., что не является чрезмерным для 3-тонных грузовиков.Однако с течением времени мощность росла, и на рынок вышел Duramax 2001 года с мощностью 300 л.с. Перенесемся в 2014 год, и номинальная мощность 400 л.с. (или больше) является обычным явлением с уровнями крутящего момента 800 фунт-фут. или больше. Со временем и развитием мощности турбокомпрессор был с дизелями на каждом этапе пути. Сделать дизель жизнеспособным вариантом двигателя настолько важно, что «турбодизель» чаще всего пишется одним словом. Но почему так? Что ж, давай разберемся.

Многие люди утверждают, что эра дизельных характеристик началась с Dodges конца 80-х годов.И почему бы нет? С заводскими турбокомпрессорами, способными поддерживать удвоенную номинальную мощность в 160 лошадиных сил; это были машины с огромным неиспользованным потенциалом.

ДИЗЕЛЬ И ТУРБОНАДДУВ, ИДЕАЛЬНОЕ СООТВЕТСТВИЕ

Дизельный двигатель — это двигатель с прямым впрыском, что означает, что процесс сгорания начинается при впрыске топлива в двигатель. В бензиновом двигателе топливо и воздух смешиваются, и свеча зажигания воспламеняет топливо, но в дизельном топливе само топливо взаимодействует с воздухом и воспламеняется только под действием давления и тепла.Отсюда термин двигатели с воспламенением от сжатия. Это позволяет дизельному двигателю работать в широком диапазоне соотношений воздух-топливо. Там, где газовые двигатели наиболее удобны при соотношении воздух-топливо где-то между 10: 1 и 15: 1, дизель может работать с топливно-воздушной смесью 6: 1 или бедной 100: 1. Уменьшение отдачи от мощности намного превышает 20: 1, но, тем не менее, дизели примерно так же независимы от воздуха, как и двигатели.

Но есть и недостатки. Поскольку дизельное топливо не смешивается с воздухом перед тем, как попасть в двигатель, у него достаточно времени, чтобы сгореть и создать давление, необходимое для выработки мощности.По мере увеличения числа оборотов поршень двигателя перемещается вверх и вниз с более высокой скоростью, давая дизельному топливу все меньше и меньше времени для сгорания и выработки мощности. Если вы когда-нибудь задумывались, почему дизельные двигатели традиционно относятся к двигателям с более низкой частотой вращения, то почему это происходит при помощи времени впрыска.

Итак, инженеры нашли способ разгадать загадку двигателя внутреннего сгорания: турбонаддув. Турбокомпрессор — это компрессор с приводом от выхлопных газов, который нагнетает больше воздуха в двигатель. Таким образом, двигатель может принимать больше воздуха без увеличения оборотов; просто больше воздуха из компрессора, что обычно называют «наддувом».«При правильном добавлении топлива это означало, что дизельные двигатели теперь могли конкурировать со своими бензиновыми аналогами по мощности, имея преимущества как в крутящем моменте, так и в эффективности.

«Все более строгие нормы выбросов, наряду с требованиями лучшей реакции и большей мощности, приведут к новому поколению конструкции турбокомпрессора, которая будет продолжена в современных грузовиках».

ОСНОВЫ РАННЕГО ТУРБО

Каждый турбокомпрессор (тогда и сейчас) состоит из нескольких основных частей: центральной части турбокомпрессора, в которой установлены подшипники с масляным охлаждением и смазкой, и общий вал, соединяющий стороны выхлопа и компрессора турбокомпрессора.Есть также сторона компрессора с крыльчаткой компрессора и корпусом компрессора, а на стороне турбины — сторона турбокомпрессора с приводом от выхлопных газов (называемая рабочим колесом турбины) и корпус. В конце 1980-х — начале 1990-х годов дизельный двигатель с турбонаддувом следовал той же базовой формуле: уровни наддува ниже 20 фунтов на квадратный дюйм, фиксированная геометрия (подробнее об этом позже), а также большие выхлопные кожухи и колеса турбины для снижения давления выхлопных газов. Турбонагнетатели также были довольно маленькими (например, Holset HC1 на Dodge 1989 года имел только 50-миллиметровый индуктор), а уровни мощности были умеренными, чтобы соответствовать умеренным уровням наддува.Конструкция турбокомпрессора оставалась по образцу этой формулы до 2000 года, когда подул ветер перемен. Все более строгие нормы выбросов, наряду с требованиями лучшей реакции и большей мощности, приведут к новому поколению конструкции турбокомпрессора, которая будет продолжена в современных грузовиках.

Если ваш двигатель выглядит так, вероятно, вы не будете ездить очень быстро. Хотя дизели без турбонаддува все еще существуют, их мощность сильно ограничена.

Ford с двигателем 6.Двигатель 0L был известен своим злобным турбонаддувом благодаря сверхчувствительному турбокомпрессору с регулируемыми лопастями.

Если вы заметили странный фланец на выхлопе некоторых турбин, это потому, что у них есть внутренние перепускные клапаны. Внутренний перепускной клапан (стрелка) используется для обхода турбинного колеса, если приводное давление становится слишком высоким.

Модернизированные колеса компрессора очень распространены на современном рынке; они прочнее и обычно крупнее заводских версий, что приводит к большему расходу.

Пожалуй, самый захватывающий из турбонагнетателей для грузовых автомобилей OEM, двигатель 6,4 л Power Stroke оснащен составными турбокомпрессорами, которые обладают огромным потенциалом воздушного потока.

Turbos может вести тяжелую жизнь, о чем свидетельствует этот покрытый грязью блок, спрятанный под брандмауэром. Тем не менее, из-за своей простоты прямые отказы в большинстве двигателей не очень распространены.

Тепло, выделяемое турбинами, также необходимо защищать от остальной части моторного отсека. Когда кабина этого Duramax снята, становится ясно, что здесь задействованы некоторые серьезные тепловые экраны.

Если корпус компрессора и выхлопной системы снят с турбокомпрессора Garrett, вы можете более четко видеть колесо компрессора (слева), турбину (справа) и центральную часть (в центре), которая в данном случае представляет собой высокопроизводительный шарикоподшипник. единица.

Людям нравится чрезмерно усложнять размеры турбонаддува, но основное правило состоит в том, что для поддержки большой мощности необходимо много турбонаддува. Обратите внимание на массивный S595 (который может поддерживать до 1200 лошадиных сил на задние колеса) рядом с заводским Dodge HX35 (450 лошадиных сил на задние колеса).

ИЗМЕНЕНИЯ ИГРЫ

Дизельный двигатель Duramax с системой впрыска Common Rail дебютировал как модель 2001 года и имел гораздо больший турбокомпрессор по сравнению с предыдущими моделями. Эти более крупные турбины Garrett позволили Duramax выдавать 300 л.с. на маховике (безусловно, большая часть большой тройки в то время), а его большой рабочий объем 6,6 л и сложное электронное управление позволяли двигателю максимально эффективно использовать его компрессор.

«Чтобы не отставать, и Dodge, и Ford предложили передовые турбокомпрессоры, чтобы компенсировать дефицит мощности Power Stroke и Cummins по сравнению с Duramax.”

Не будем забывать, что и Dodge, и Ford предложили передовые турбокомпрессоры, чтобы компенсировать дефицит мощности Power Stroke и Cummins по сравнению с Duramax. Dodge установил турбонагнетатель с регулируемым соплом на свой двигатель Cummins, который мог эффективно изменять A / R со стороны выхлопной трубы в три раза. Это привело к созданию турбокомпрессора, который очень быстро раскручивался, но его можно было приспособить для уменьшения противодавления выхлопных газов в зависимости от пробега или в условиях высокой нагрузки и высоких оборотов.

ИННОВАЦИИ В ТУРБОНАДДУВАТЕЛЕ

2001

GM выпустила 6,6-литровый Duramax с массивным (для своего времени) турбокомпрессором GT37. Этот мотор выдавал в среднем 300 л.с.

2003

Ford представил 6.0-литровый двигатель Power Stroke с невиданной ранее турбиной GT37 AVNT. Этот турбонаддув был первым турбонагнетателем с регулируемыми лопастями, который предлагался в пикапе, и мог обеспечивать наддув практически на любых оборотах.

2007,5

Dodge / Ram установил переменную форсунку Holset HE351VE на 6.7L Cummins. Благодаря изменению соотношения сторон эта турбина работает аналогично 6.0L, обеспечивая различные уровни наддува практически на любых оборотах.

2008

Ford поднялся на ступеньку выше, установив на свой 6.4L Power Stroke набор сдвоенных турбин. После небольшой настройки и нескольких других простых модификаций этот силовой агрегат был способен развивать плавную мощность 800 л.с. на холостом ходу.

2011

Ford снова пытается использовать новую «сдвоенную» установку на новом 6.7 Power Stroke.Это зарядное устройство, разработанное компанией Garrett, имело два установленных спина к спине колеса компрессора с одним колесом турбины.

Ford также предлагал регулируемый турбонагнетатель на стороне выпуска, но использовал подвижные лопатки, которые направляли поток отработавших газов к турбинному колесу, чтобы замедлить или ускорить турбонагнетатель на его двигателе Power Stroke. В 2005 году GM также добавила переменную технологию в турбокомпрессор Duramax Garrett. На данный момент (2014 год) вся большая тройка по-прежнему придерживается технологии переменного турбонаддува.

Часто заводские детали включаются в сборку турбо-системы.Здесь стандартный промежуточный охладитель воды и воздуха используется на 6,7-литровом Ford с модернизированным турбонагнетателем.

ЭФФЕКТИВНЫЕ И УНИКАЛЬНЫЕ ДИЗАЙНЫ ОТ ПРОИЗВОДИТЕЛЕЙ

Хотя может показаться, что Ford, Dodge и GM пошли по основному пути, были некоторые отклонения от нормы. С 2008 по 2010 год двигатель Power Stroke, установленный на грузовиках Ford, имел две турбины, соединенные друг с другом (одна в другую), что привело к созданию двигателя с высоким крутящим моментом, который также обладал большим потенциалом мощности.Отчасти благодаря турбонаддуву, эти Форды быстро стали популярными среди «тюнеров», которые смогли эффективно удвоить мощность двигателя с помощью изменений в топливной системе и таблице ГРМ. Такое резкое увеличение мощности было бы невозможно без этой турбонаддува.

Другие европейские производители также экспериментировали с различными конструкциями турбо-систем. Например, BMW 335d имеет очень маленький турбонагнетатель с изменяемой геометрией в качестве небольшого компрессора, и он активен в диапазоне от 1500 до 2500 об / мин.В этот момент выхлоп двигателя полностью отводится от меньшего турбокомпрессора, а больший турбонагнетатель берет на себя с 2500 до 4000 об / мин. Эта турбо-установка (называемая последовательной системой) приводит к созданию двигателя с чрезвычайно широким диапазоном мощности и очень приятным в управлении автомобилем — идеально подходящим для спортивного седана.

«С дополнительной заправкой и настройкой большинство дизельных двигателей способны почти вдвое увеличить номинальную мощность в лошадиных силах — даже со стандартными турбокомпрессорами».

Для дизелей с горячим стержнем очень популярным вариантом является составной турбонаддув.Он включает в себя очень большой турбонаддув в гораздо меньший, создавая высокие уровни наддува (обычно 50-100 фунтов на квадратный дюйм), которые забивают огромное количество воздуха в двигатель.

У грузовиков, у которых турбокомпрессоры расположены в середине моторной отсека, могут возникнуть проблемы с зазором межсетевого экрана и капота. Турбо S475 (рама S400, индуктор 75 мм) плотно вписывается в этот GM с двигателем Duramax.

ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТЬ ТУРБОКОМПЕНСАТОРА ПОСЛЕ ПРОДАЖИ, ОТ СЛАБОГО К ДИКОМУ

С дополнительной заправкой и настройкой большинство дизельных двигателей могут почти вдвое увеличить номинальную мощность в лошадиных силах, даже со штатными турбокомпрессорами.Однако в какой-то момент штатный турбонагнетатель просто не справится, и именно здесь вмешались многие производители вторичного рынка. Независимо от того, есть ли у вас 7,3-литровый Power Stroke или 6,7-литровый Cummins (и все, что между ними), турбо-система существует. чтобы помочь вам получить 500, 600 или даже 1000 лошадиных сил. Поскольку выбор турбонагнетателей велик (а иногда и сбивает с толку), один из наиболее часто задаваемых вопросов энтузиастами дизельного топлива — «какую турбину мне купить?»

На самом деле все не так плохо, как кажется.Например, выбор турбокомпрессора по большей части должен основываться на максимальной мощности, которую двигатель рассчитан на выработку. Вот и все, никакого вуду или колдовства. Как в составной, так и в одиночной компоновке, выбор турбонагнетателя должен основываться на мощности. По нашему опыту, большинство людей с турбонаддувом стремятся получить огромную мощность. Мы видели, например, что ATS Aurora 3000 (на базе 57 мм S300) выдает 450-500 лошадиных сил на задние колеса как на Duramax, так и на Cummins. Новое ковано-фрезерное колесо 67.7-миллиметровые турбины BorgWarner разрывают динамометрические стенды и перетаскивают полосы по всей стране с потенциалом более 700 лошадиных сил. Если вы действительно хотите использовать 80-мм турбонагнетатель в полной мере, вам лучше выбрать мощность от 900 до 1000 лошадиных сил.

Взгляд в будущее: где будущее

По мере развития технологий мы, как и все остальное, увидим инновации в области турбонаддува. Одним из интересных экспериментов стал турбокомпрессор на грузовиках Ford 2011–2014 годов с двигателем 6,7 л.Это зарядное устройство, разработанное компанией Garrett, имело два установленных спина к спине колеса компрессора с одним колесом турбины. Идея заключалась в том, чтобы иметь воздушный поток, подобный твин-турбо, с одинарным турбонаддувом. Это позволило грузовику невероятно сильно обрести власть, и было продано немало Фордов. Однако турбо-двигатель столкнулся с проблемами давления привода при повышении мощности или на большой высоте, поэтому модели 2015 года перешли на традиционный турбонаддув (два колеса), который был немного больше. Тем не менее, когда производитель оригинального оборудования начинает использовать этот тип экспериментов, ожидайте увидеть больше уникальных настроек, включающих компаундирование, последовательные турбины и, возможно, даже комбинации с наддувом / турбонаддувом.

На вторичном рынке турбонаддув сделал интересный шаг назад. С ростом максимальной мощности новых турбин и такими компаниями, как Garrett, Precision Turbo и BorgWarner, разрабатывающими турбины специально для дизелей, использование одиночных турбин растет. С компрессорами стоимостью менее 1000 долларов, которые будут поддерживать наддува 50-60 фунтов на квадратный дюйм, и преимуществом электронного управления на более новых двигателях с общей топливной магистралью, одиночные турбины очень популярны на рынке уличных грузовиков мощностью от 500 до 800 лошадиных сил.Все, что выше этого, и соединения по-прежнему господствуют, за исключением некоторых специально разработанных турбин для тяговых классов. Однако одно можно сказать наверняка, как на рынке OEM, так и на вторичном рынке, ищите новые конструкции, тенденции и инновации, поскольку рынок турбонаддува постоянно меняется.

Возвращаются одинарные турбокомпрессоры. Недавно мы видели, как этот 82-миллиметровый S400 преодолел отметку в 1000 лошадиных сил на задних колесах на местном динамометрическом стенде.

Самые крайние случаи турбонаддува связаны с вытягиванием салазок, когда две турбины с большой рамой (например, HX82) используются для продувки третьей турбины, которая затем направляет воздух в двигатель.С промежуточными охладителями и давлением наддува выше 150 фунтов на квадратный дюйм эти системы способны развивать мощность более 2500 лошадиных сил.

ПОДГОТОВКА ДВИГАТЕЛЯ К ТУРБОКОМПЕНСАТОРУ: ВОПРОСЫ ГОДНОСТИ

Если вам интересно, почему все не бегают с одним огромным турбонагнетателем, способным выдавать огромные количества лошадиных сил, то для этого есть причина. Двигатель и топливная система также должны быть спроектированы с учетом желаемого диапазона мощности, и часто большие турбокомпрессоры, способные работать с неприличными значениями мощности, не так уж и управляемы.В то время как заводской двигатель пикапа может развивать мощность от 1500 до 3000 об / мин, большой сингл может даже не сильно раскручиваться до 2000 об / мин и может иметь диапазон мощности от 3000 до 4500 об / мин. Поскольку многие люди используют свои дизели по разным причинам (например, для буксировки), наличие двигателя, который почти не развивает мощность до 3000 об / мин, может стать недостатком. Вот тут-то и появляется второй турбонаддув.

Хорошее решение для управляемого автомобиля, который все еще может развивать мощность, — это комбинированный турбонаддув. Составные турбины, представленные в заводской форме на Power Strokes 2008–2010 годов, обладают способностью намотки двигателя небольшого турбонагнетателя с максимальным потенциалом мощности более крупного турбонагнетателя.В условиях высокого наддува и высоких оборотов рабочие нагрузки турбонагнетателей также снижаются, что приводит к более низким температурам на выходе компрессора и повышению эффективности. Кроме того, при частичном открытии дроссельной заслонки комбинированный эффект от надувания одного турбонагнетателя на другой приводит к большему ускорению при том же количестве топлива (по сравнению с одним турбонаддувом) и делает смеси идеальными для ситуаций буксировки. С составной турбо-установкой можно реализовать широкий диапазон мощности, скажем, от 2000 до 4000 об / мин или от 1500 до 3000 об / мин. DW

Как работают турбокомпрессоры — x-engineer.org

Рабочие характеристики двигателя внутреннего сгорания (ДВС) можно описать через его выходной крутящий момент. Крутящий момент двигателя на низких оборотах оказывает значительное влияние на управляемость автомобиля, а крутящий момент двигателя на высоких оборотах определяет максимальную скорость автомобиля и расположение передаточных чисел.

Двигатель Крутящий момент можно увеличить несколькими способами:

Турбонаддув — правильный метод для увеличения плотности всасываемого воздуха .Это требует дополнительной работы на стороне впуска воздуха, помимо насосной работы атмосферного (безнаддувного) двигателя, чтобы нагнетать дополнительную массу воздуха в цилиндры. Эта дополнительная работа обеспечивается турбонагнетателем , где турбина использует энергию выхлопных газов для вращения компрессора всасываемого воздуха (крыльчатки).

Изображение: Турбокомпрессор Continental (потоки впускных и выхлопных газов)
Кредит: Continental

Исторически турбокомпрессоры впервые устанавливались на двигатели с воспламенением от сжатия (дизельные), главным образом по следующим причинам:

  • удельная выходная мощность естественного дизельного двигателя двигатель плохой
  • выходная мощность дизельного двигателя ограничена дымовыделением, и добавление большей массы воздуха в цилиндр может уменьшить образование дыма
  • (по сравнению с бензиновым двигателем с искровым зажиганием) Детонация дизельного двигателя невозможна, потому что топливо впрыскивается в конце цикла сжатия
  • (по сравнению с бензиновым двигателем с искровым зажиганием) производство дизельных двигателей более дорогое, поэтому стоимость турбонагнетателя меньше влияет на общую стоимость двигателя

На двигателе с искровым зажиганием (бензиновом) основной причиной установки турбонагнетателя является повышение выходного крутящего момента / мощности от ограниченного (объемного ) мощность двигателя.Главный предел для бензинового двигателя с турбонаддувом, с точки зрения того, насколько может повыситься давление наддува, составляет детонация двигателя . Дополнительный наддувный воздух в цилиндрах вызывает значительное повышение температуры топливовоздушной смеси в конце сгорания, что может привести к детонации в двигателе. Для предотвращения детонации двигатели с турбонаддувом обычно имеют более низкую степень сжатия, чем безнаддувные (атмосферные) двигатели.

Изображение: турбокомпрессор BMW (12-цилиндровый бензиновый двигатель с TwinPower Turbo)
Кредит: BMW

Турбонаддув можно резюмировать как особый метод наддува, при котором энергия горячих выхлопных газов используется для привода компрессора всасываемого воздуха. .Преимущество состоит в том, что энергия выхлопных газов не тратится впустую, а используется для включения компрессора.

При установке турбины в выпускной коллектор давление выхлопных газов увеличивается перед турбиной (перед ней). Это заставляет двигатель потреблять больше энергии для удаления сгоревших газов из цилиндров во время такта выпуска. Турбина преобразует поток и тепловую энергию выхлопных газов в энергию сжатия. Следовательно, давление всасываемого воздуха больше, чем давление выхлопных газов, а это означает, что общий КПД двигателя увеличивается.

Автомобильные (пневматические, фиксированная геометрия) турбокомпрессоры состоят из четырех основных частей:

  • корпус компрессора
  • центральный корпус
  • корпус турбины
  • привод перепускной заслонки

Корпус компрессора (обычно из алюминий) содержит компрессор с осевым входом и радиальным выходом (также известный как рабочее колесо). Корпус турбины содержит турбину с радиальным входом и осевым выходом, соединенную с компрессором через вал .

Изображение: Турбокомпрессор Continental (основные компоненты)
Кредит: Continental

Скорость турбокомпрессора в сборе может легко достигать 120 000 об / мин или даже 300 000 об / мин. Чтобы выдерживать такие высокие скорости, вал вращается в гидродинамической масляной пленке с низким коэффициентом трения подшипников скольжения , которые размещены в основном (центральном) корпусе.

Подшипники скольжения бывают двух типов: радиальный и осевой . Обычно это два радиальных подшипника (втулка) и один осевой (упорный) подшипник.Подшипники имеют смазочные каналы, которые позволяют маслу проникать внутрь подшипников и образовывать гидродинамическую масляную пленку между подшипником и валом. Такие подшипники также называются полностью плавающими подшипниками . Цепь смазки турбонагнетателя подключена к основной системе смазки двигателя внутреннего сгорания.

Температура масла может варьироваться от минимальной (например, -30 ° C) до номинальной рабочей температуры двигателя (около 90 ° C).Для обеспечения потока масла для охлаждения в любых температурных условиях необходимо обеспечить зазор между подшипниками и валом.

Изображение: Вал турбокомпрессора, компрессор, колеса турбины и подшипники (BMTS)
Кредит: Bosch Mahle Turbo Systems

  1. колесо компрессора
  2. осевой (упорный) подшипник
  3. радиальные (втулочные) подшипники
  4. вал
  5. колесо турбины

Подшипники турбокомпрессора могут быть скольжения (как на картинке выше) или подшипники качения .Турбонагнетатели для отработавших газов с роликоподшипниками более эффективны, чем подшипники скольжения, имеют лучшие переходные характеристики (ускоряются быстрее) и могут обеспечивать более высокое давление наддува при частичных нагрузках на двигатель. Основными недостатками роликовых подшипников являются долговечная надежность и акустические характеристики (более шумный). Роликовые подшипники в основном используются в высокопроизводительных турбокомпрессорах для мотоспорта.

Подшипники могут работать нормально, если температура выхлопных газов ниже 800 ° C, охлаждения масла достаточно для поддержания номинальной работы.На бензиновых двигателях, где температура выхлопных газов может превышать 1000 ° C, необходим центральный (подшипниковый) корпус с водяным охлаждением .

Корпус сердечника также содержит несколько уплотнительных элементов , которые предотвращают проливание масла в выпускной или впускной коллектор, а также максимально сокращают попадание всасываемого воздуха и выхлопных газов (картерные газы).

Изображение: Узел сердечника турбокомпрессора (BMTS)
Предоставлено: Bosch Mahle Turbo Systems

Узел компрессора состоит из крыльчатки с осевым притоком и радиальным оттоком (крыльчатки компрессора) и литого алюминиевого корпуса .Во избежание утечки воздуха между компрессором и корпусом зазор должен быть минимальным.

Рабочее колесо компрессора (крыльчатка) обычно изготавливается из литого алюминиевого сплава . В современных турбокомпрессорах рабочее колесо фрезеровано из алюминиевого сплава. Чтобы избежать помпажа компрессора (реверсирование потока воздуха в случае закрытия дроссельной заслонки), корпус компрессора оборудован продувочным (выталкивающим) клапаном .

У некоторых коммерческих автомобилей, для которых требуется очень долгий срок службы компонентов, крыльчатка компрессора (крыльчатка) фрезерована из титанового сплава .

Компрессоры бензиновых двигателей с турбонаддувом имеют продувочные (отрывные) клапаны, которые должны предотвращать скачок компрессора при резком падении нагрузки на двигатель (например, дроссельная заслонка переходит из полностью открытого в полностью закрытое положение за очень короткое время). Большинство современных продувочных клапанов имеют электрический привод, а события открытия и закрытия контролируются модулем управления трансмиссией (PCM).

Изображение: Колесо компрессора турбокомпрессора
Кредит: Bosch Mahle Turbo Systems

Изображение: Колесо турбины турбокомпрессора
Кредит: Bosch Mahle Turbo Systems

Подшипник турбокомпрессора
Turbo Systems

Изображение: перепускная заслонка турбокомпрессора
Предоставлено: Bosch Mahle Turbo Systems

Сторона турбины турбокомпрессора состоит из:

  • диффузора
  • корпуса
  • перепускное колесо
  • 352
  • перепускное колесо
  • 352 диффузор ускоряет поток выхлопных газов и равномерно распределяет его в лопатках турбины (колесе).Диффузор встроен в спиральный корпус турбины.

    Корпус турбины должен выдерживать очень высокие температуры и изготовлен из высоколегированного чугуна. Существует два типа корпуса турбины, в зависимости от типа повышения давления выхлопных газов:

    • Корпус импульсного наддува
    • Корпус постоянного давления

    В случае импульсного наддува выхлопные трубы выходят из каждый цилиндр вводится отдельно в корпус турбины.Корпус турбины спроектирован таким образом, чтобы максимально предотвратить смешивание потоков выхлопных газов перед входом в рабочее колесо турбины.

    В случае с наддувом постоянного давления выхлопные трубы всех цилиндров подключены к выпускному коллектору большого объема, который отфильтровывает отдельные импульсы давления.

    Стандартное рабочее колесо турбины имеет радиально-впускную и осевую конструкции. Поскольку турбинное колесо должно работать при очень высоких температурах, оно изготовлено из стального сплава, содержащего большое количество никеля.

    Чтобы минимизировать турбо-лаг (задержка разгона двигателя), момент инерции массы колеса компрессора, колеса турбины и вала должен быть как можно меньше. По этой причине исследуются высокопрочные материалы с низкой плотностью для использования в будущих турбокомпрессорах.

    Изображение: Компоненты турбокомпрессора в разрезе (BMTS)
    Кредит: Bosch Mahle Turbo Systems

    1. корпус компрессора
    2. колесо компрессора (крыльчатка)
    3. пневмопривод
    4. центральный корпус (подшипник)
    5. рычаг управления перепускной заслонкой
    6. 35 перепускной клапан
    7. 35 корпус турбины
    8. колесо турбины

    Давление наддува регулируется путем регулирования количества выхлопных газов, протекающих через колесо турбины.Поток выхлопных газов в турбине регулируется перепускным клапаном , который может приводиться в действие пневматическим или электрическим приводом.

    Подача воздуха для управления пневматическим блоком перепускной заслонки может осуществляться от самого давления наддува или от вакуума под давлением (от вакуумного насоса автомобиля). Недостатком использования давления наддува является то, что управление перепускным клапаном зависит от нагрузки двигателя (давления наддува). С помощью вакуумного насоса давление наддува можно регулировать независимо от рабочего состояния двигателя.

    Последние технологии турбокомпрессоров имеют прямое электрическое срабатывание перепускной заслонки. Это обеспечивает более быстрое и точное срабатывание перепускной заслонки независимо от рабочего состояния двигателя.

    Высокопроизводительные турбокомпрессоры — EFR

    TM от BorgWarner

    Изображение: BorgWarner Engineered For Racing (EFR TM ) турбокомпрессор
    Кредит: BorgWarner

    1. кованое фрезерованное колесо компрессора
    2. и вал турбины Gamma-
    3. из нержавеющей стали стальной корпус турбины
    4. перепускной клапан высокого расхода
    5. задний диск турбины
    6. двухрядный шарикоподшипник с керамическими шариками и металлической клеткой
    7. корпус компрессора
    8. встроенный рециркуляционный клапан компрессора (CVR)
    9. электромагнитный клапан управления наддувом (BCSV)
    10. датчик скорости

    Continental RAAX

    TM турбокомпрессор

    Изображение: Continental радиально-осевой (RAAX TM ) турбокомпрессор
    Кредит: Continental

    RAAX TM (что означает «радиально-осевой») — это новый турбокомпрессор Continental с самым важным нововведением в конструкции турбины.В отличие от наиболее распространенного на сегодняшний день типа бензиновых турбонагнетателей, радиального турбонагнетателя, который имеет радиальный впуск выхлопных газов, новый турбокомпрессор Continental имеет радиально-осевой (полурадиальный / полуосевой) впускной тракт.

    Соответствующая специальная конструкция лопастей позволяет примерно на 40% снизить крутящий момент инерции турбинных колес. Это означает, что турбокомпрессор быстрее реагирует на изменения нагрузки двигателя, поэтому давление наддува создается быстрее, а турбо задержка сводится к минимуму.В дополнение к этому значительному улучшению реакции, технология RAAX TM также приводит к повышению эффективности до 3% в соответствующем рабочем диапазоне двигателя, что приводит к снижению выбросов.

    Не забывайте ставить лайки, делиться и подписываться!

    На турбинах смешанного потока для автомобильных турбонагнетателей

    В связи с повышенными требованиями к повышению топливной экономичности легковых автомобилей, характеристики низких и частичных нагрузок имеют ключевое значение для конструкции турбин автомобильных турбонагнетателей.В автомобильном приводном цикле желательна турбина, которая может извлекать больше энергии при высоких соотношениях давлений и более низких скоростях вращения. В литературе обычно обнаруживается, что радиальные турбины обеспечивают максимальную эффективность при передаточных числах 0,7, но при высоких степенях давления и низких скоростях вращения передаточное число лопастей будет низким, и ротор будет испытывать высокие значения положительного угла падения на входе. Основываясь на фундаментальных соображениях, показано, что турбины со смешанным потоком имеют существенные преимущества для таких применений.Кроме того, чтобы доказать эти соображения, представлена ​​экспериментальная оценка эффективности турбины со смешанным потоком и оптимального соотношения скоростей лопастей. Это было достигнуто с использованием нового полустационарного подхода к измерениям. Наконец, приведены доказательства преимуществ поведения турбины со смешанным потоком при работе двигателя. Что касается моделирования двигателя с турбонаддувом, показаны преимущества широкого диапазона данных измерений карты турбины, а также необходимость разумной экстраполяции карты турбины.

    1.Введение

    В соответствии с законодательством о выбросах, турбонаддув автомобильных двигателей внутреннего сгорания становится обычной практикой. Это касается не только дизельных двигателей, но и бензиновых двигателей. Турбонаддув двигателя внутреннего сгорания помогает достичь требуемых уровней выбросов при сохранении подходящих ходовых характеристик. Ключевыми требованиями к новым турбокомпрессорам являются улучшенные характеристики в широком рабочем диапазоне при соблюдении все более строгих требований к упаковке.

    На сегодняшний день турбины с радиальным потоком (RFT) в основном используются в турбокомпрессорах для автомобильных двигателей. В этой статье описаны характеристики турбин со смешанным потоком (MFT), из которых можно сделать вывод, что такие турбины обеспечивают значительные преимущества для удовлетворения требований, предъявляемых к автомобильным турбокомпрессорам. На рисунке 1 проиллюстрировано определение геометрии турбины со смешанным потоком, используемое в этой статье.

    Преобладающая роль в характеристиках турбины — угол падения, то есть разница между углом потока на входе в ротор и углом лопасти на передней кромке ротора.Согласно Джапиксе и Бейнсу [1], оптимальный угол падения для радиальных турбин находится в диапазоне от -20 ° до -40 °. В современных турбокомпрессорах очень важную роль играет внепроектная эксплуатация турбины. Из-за прерывистого импульса выхлопных газов от поршневого двигателя турбина турбонагнетателя работает с неустойчивой проводимостью. Это еще более заметно во время переходных процессов двигателя. То, как двигатель реагирует на эти переходные процессы, важно для удовлетворения водителя.Кроме того, по мере того, как вводятся комбинированные концепции снижения частоты вращения и уменьшения габаритов, амплитуды пульсации выхлопных газов увеличиваются, а частота импульсов снижается [2]. Следовательно, все технологии, которые повышают эффективность в широком диапазоне, а также переходные характеристики турбины, полезны для турбонагнетателей. В этом отношении турбины со смешанным потоком, которые успешно применяются в современных бензиновых приложениях [3–6], обладают преимуществами. Эти преимущества включают в себя стабильную характеристику КПД в широком диапазоне, а также меньшую инерцию.В этом исследовании описаны основные свойства таких типов турбин, проиллюстрирован метод оценки работы на широкой карте и приведены доказательства преимуществ турбин со смешанным потоком для турбин автомобильных турбонагнетателей. Что касается квазистационарного, а также переходного моделирования двигателя, показано преимущество данных широкомасштабных измерений. Более того, стандартных данных измерения стендов горячего газа обычно недостаточно для моделирования двигателя с турбонаддувом, и требуется экстраполяция.Отмечено стремление к разумным методам экстраполяции турбинных карт. Это тесно связано с правильным знанием передаточного числа лопастей для оптимального КПД турбины. Вывод этого параметра приведен в разделе 3.

    2. Конструкция турбины турбонагнетателя

    Общеизвестно, что радиальные турбины имеют оптимальный КПД при передаточном числе скоростей лопастей () около 0,7, тогда как максимальный КПД для турбин смешанного потока находится при более низких передаточных числах лопастей (например, [7]).Для автомобильных турбонагнетателей максимальная мощность доступна при низкой, и, следовательно, КПД турбины в этом диапазоне имеет большое влияние на характеристики двигателя с турбонаддувом. Уменьшение угла атаки при низких передаточных числах может быть достигнуто за счет уменьшения относительного угла потока на входе в ротор и / или обратного смещения передней кромки лопасти [8].

    Теоретически угол потока на входе в ротор можно уменьшить за счет увеличения спиральной камеры турбины. Однако в условиях пульсирующего потока, типичных для автомобильных турбонагнетателей, это может привести к чрезмерному рассеиванию кинетической энергии выхлопных газов.Это вызвано тем, что объем улитки турбины составляет значительную часть общего объема выпускного коллектора. Следовательно, увеличение отрицательно скажется на характеристиках турбокомпрессора. В результате в концепциях импульсного турбонаддува в легковых автомобилях обычно применяются минимально возможные спиральные улитки турбины, следовательно, допускается неблагоприятный угол впускного потока при низких передаточных числах для использования энергии импульса.

    Большинство радиальных турбин, используемых в настоящее время, имеют радиальные волокна из-за механических ограничений.Угол входа лопасти равен нулю, а комбинация со спиральной камерой с малыми выводами приводит к неблагоприятному углу падения. Этого недостатка можно избежать, применяя турбины со смешанным потоком, которые позволяют изменять угол входа лопатки при сохранении радиального сечения лопаток (сравните рисунки 2 и 8). Следовательно, неблагоприятный угол впускного потока можно до некоторой степени компенсировать за счет обратного движения передней кромки, избегая вредного падения.


    Турбины со смешанным потоком предлагают преимущество дополнительных степеней свободы для аэродинамической конструкции по сравнению с турбинами с радиальным притоком, которые обычно имеют радиальную группировку из-за механических ограничений.Угол входа лопаток в турбины со смешанным потоком может быть отличным от нуля даже при радиальном сечении лопаток. Следовательно, с турбинами со смешанным потоком можно реализовать более благоприятные характеристики эффективности по сравнению с радиальными турбинами в отношении применения в автомобильных турбокомпрессорах. Турбины со смешанным потоком могут быть спроектированы с меньшей инерцией, что положительно влияет на переходные характеристики, но при этом сохраняет допустимые пределы напряжений. Уровни напряжения в заднем диске турбины ниже для конструкции со смешанным потоком, которая поддерживает более высокие допустимые скорости.

    Оптимальный угол падения для турбин со смешанным потоком достигается при более низких передаточных числах лопастей . Подобного удара можно добиться, ударив в обратном направлении переднюю кромку радиальной турбины. Однако из-за механических ограничений количество обратной стреловидности для радиальных турбин очень ограничено [8]. Таким образом, до сегодняшнего дня почти все радиальные турбины имеют радиальные волокна.

    Вышеупомянутые соображения действительны для условий установившегося потока. Однако турбины для автомобильных турбонагнетателей подвержены сильно пульсирующим входным потокам.Концепция импульсного турбонаддува, которая становится все более популярной, направлена ​​на оптимальное использование импульсов выхлопных газов за счет минимального объема коллектора. Как следствие, мгновенные условия на входе в турбину меняются в широком диапазоне расходов. Поэтому основное внимание при разработке уделяется не достижению оптимальной проектной эффективности, а достижению такой характеристики турбины, которая обеспечивает высокий КПД в широком диапазоне условий потока.

    Рассмотрение КПД в расчетной точке привело бы к выводу, что радиальные турбины превосходят турбины со смешанным потоком для конкретных скоростей, актуальных для применения в автомобильных турбокомпрессорах (например,г., [9]). Для обеспечения высокой производительности в пульсирующих рабочих условиях КПД турбины должен быть высоким при низких передаточных числах лопастей. Для низких соотношений скоростей лопастей сочетание большого массового расхода с высоким КПД приводит к высокой мощности [10]. В Разделе 3 приведены основные соображения, подтверждающие вышеупомянутые утверждения о турбинах со смешанным потоком.

    3. Основы простого турбомашинного оборудования

    На протяжении всей этой работы используется номенклатура, показанная на рисунке 3. В автомобильной промышленности индекс или индекс 3 обычно используется для положения входа в турбину (вход ступени), а индекс 4 обозначает условия выхода из турбины.Для условий на входе в рабочее колесо турбины вводится индекс 3.5.


    На рисунке 4 показаны треугольники скорости на входе и выходе турбинного колеса. Показан общий треугольник скоростей (с завихрением на входе) на входе в рабочее колесо. Кроме того, показаны два треугольника скорости на выходе из турбины — один без завихрения на выходе, а другой с завихрением на выходе.

    Эквивалентный (входной) диаметр MFT определяется формулой (1). Это значение также используется для расчета окружной скорости колеса турбины со смешанным потоком: Полный статический КПД турбины определяется как: Изэнтропическая скорость истечения, которая может быть достигнута, если доступное падение полной статической энтальпии будет преобразовано в кинетическую энергию посредством изоэнтропического процесса, может быть выражена как Коэффициент нагрузки отвала определяется выражением Связь между коэффициентом изоэнтропической нагрузки лопасти и реальным коэффициентом нагрузки лопасти определяется по формуле Если закрутка на выходе одиночной турбины с радиальным или смешанным потоком мала и окружная скорость лопастей на входе в ротор сравнительно выше, чем на выходе из ротора, последним членом в (4) можно пренебречь, что приведет к Связь между нагрузкой ступени и треугольником скоростей на входе в ротор определяется выражением Зная это, общий статический КПД турбины можно записать как Термин в скобках обычно известен как передаточное число лопаток турбины, которое чаще всего используется для оценки рабочих характеристик турбины.Ключевое значение имеет соотношение скоростей лопастей, при котором достигается пиковая эффективность турбины.

    Для идеального случая предполагается отсутствие потерь, отсутствие падения и незначительное завихрение на выходе из турбины. (I) При отсутствии потерь КПД турбины равен единице: (ii) Отсутствие падения, незначительное завихрение на выходе из турбины (треугольник скоростей) и идеальное вращение потока приводят к Тогда оптимальное значение передаточного числа лопастей определяется выражением Это значение 0,707 часто называют значением передаточного числа лопастей для оптимального КПД радиальной турбины.Фактически, как видно из этого вывода, значение само по себе является функцией максимального КПД турбины, даже если коэффициент нагрузки лопатки постоянен [11]. Кроме того, оптимальный КПД радиальной турбины достигается при коэффициенте нагрузки ниже единицы. Это означает, что поток приближается к лопастям ротора с положительным углом падения, как показано на рисунке 5.


    Определение угла падения дается формулой Комбинацией (6) и (7) нагрузка определяется выражением Предполагая, что постоянный коэффициент равен 0.5, изменяя угол падения от 0 ° до 25 °, нагрузка на лезвие для оптимального падения уменьшается до Кроме того, предполагая, что пиковая эффективность составляет 0,7, оптимальное передаточное число лопастей рассчитывается для Следовательно, для этих параметров, а также для радиальной турбины фактический оптимальный КПД достигается при передаточном числе лопастей ниже 0,707!

    Если рассматривать турбины со смешанным потоком, последствия следующие. Для упрощения характеристики MFT объясняются в предположении RFT с обратной разверткой, как показано на рисунке 6.


    Оптимальное вращение потока внутри обратного ротора достигается при отрицательном угле падения, что фактически означает почти радиальный приток. Таким образом . Следовательно, соответствующая нагрузка для оптимального падения рассчитывается как Предполагая тот же общий максимальный КПД турбины, увеличенная нагрузка на лопатки для оптимального КПД турбины приводит к сдвигу в соответствии с Это соотношение между передаточным числом лопастей и КПД турбины показано на рисунке 7.Независимым параметром для двух построенных кривых является нагрузка на лопатку. Выделены два примера, полученные в предыдущем разделе, а также часто цитируемое значение.



    О том, что оптимальный угол атаки достигается при более высокой нагрузке на лопатки для турбин со смешанным потоком, сообщалось несколькими авторами. Сообщалось даже о оптимальных значениях нагрузки на лопасти, превышающих единицу (например, [12, 13]). Причина, по которой турбины со смешанным потоком ведут себя как турбины с радиальным потоком и обратной стреловидностью, показана на рисунке 8.Когда к рабочему колесу турбины смешанного потока приближается вектор потока, перпендикулярный его входной кромке (зеленый вектор), можно нарисовать треугольник между радиальным и фактическим направлением потока (линии: зеленый, белый, красный). Другими словами, это означает, что поток не является чисто радиальным, а имеет осевую составляющую. При дополнительном наклоне лезвия с ненулевым передним углом этот треугольник поворачивается (линии: синий, белый, красный). Суть в том, что результирующий вектор потока, который приближается к лопасти, является нарисованным синим цветом.При сохранении ограничения радиального наложения эффективный угол потока радиального потока изменяется на нерадиальный путем добавления осевого компонента. Если к MFT приближается чисто радиальный вектор (красный вектор), описанного выше эффекта не происходит.

    Для радиального ротора это означает, что из-за отсутствия осевой составляющей в векторе, приближающемся к ротору, поток по своей природе чисто радиальный (красный вектор). Описанный выше векторный треугольник не устанавливается, и, таким образом, даже при разработке ненулевого переднего угла «эффект смешанного потока» недостижим.

    Следует подчеркнуть, что в отношении ограничений механических напряжений явным преимуществом колеса со смешанным потоком перед колесом с радиальным потоком является то, что этот ненулевой угол впуска лопасти лопасти достигается без нарушения условия радиального набора. В дополнение к этому, турбинные колеса со смешанным потоком дают возможность конструировать турбинные колеса с уменьшенной инерцией. Одним из ключевых преимуществ является то, что задний диск значительно уменьшен в диаметре.

    Аналитическая взаимосвязь между углом конуса (), передним углом (и углом лопасти (определяется как Эти теоретические соображения относительно характеристик турбины согласуются с измерениями и подтверждаются несколькими исследованиями (например,г., [7, 13]). Например, на рисунке 9 показано сравнение КПД турбины с радиальным и смешанным потоком в зависимости от соотношения скоростей лопастей. Отчетливо виден переход к более низким значениям передаточного числа лопастей.


    Эта характеристика турбин со смешанным потоком особенно желательна для требований применения в автомобильных турбокомпрессорах. В условиях пульсации максимальная энтальпия выхлопных газов доступна для высоких отношений давления, возникающих сразу после открытия выпускного клапана.Поскольку скорость турбины изменяется лишь незначительно — если вообще изменяется — во время цикла двигателя, высокое отношение давлений приводит к низким значениям. Поэтому для этих условий важно иметь высокий КПД [10].

    В данной работе принято энтальпийное определение степени реакции: Предполагая, что внутри статора, то есть от станции 3 до станции 3.5, потерь не происходит (например,), (19) можно преобразовать в Вместе с (4) треугольниками скоростей, показанными на рисунке 4, и предположениями, что исследуемая ступень турбины не имеет потерь (), пренебрежимо малую завихрение на выходе () и (нет диффузии, нет ускорения внутри радиального ротора), (20) может быть преобразован в Отсюда выводится взаимосвязь между и степенью реакции в зависимости от КПД турбины: На рисунке 10 показана взаимозависимость этих параметров.Выделенный символ на графике снова показывает часто цитируемое оптимальное значение 0,707, как описано ранее. Кроме того, график ясно показывает, что оптимальные значения в зависимости от степени реакции для неидеального КПД могут быть ниже в реальных конфигурациях турбин. В зависимости от степени реакции выбранной конструкции ступени турбины оптимальное передаточное число лопаток может быть изменено. Более того, в турбокомпрессорах, включая конфигурации турбин с фиксированной геометрией, необходимо учитывать, что изменение давления на входе во времени, вызванное прерывистыми импульсами выхлопа поршневого двигателя, действительно вызывает изменение степени реакции во время работы.Это означает, что не будет одного фиксированного значения оптимального передаточного числа лопастей, которое описывает поведение турбины на двигателе (сравните [14]).


    На рисунке 11 показаны измеренные параметры массового расхода и КПД в зависимости от степени расширения турбины со смешанным потоком в сравнении с эквивалентной радиальной турбиной. Данные были получены на стенде горячего газа в условиях квазистационарного потока и подвержены влиянию теплового потока, типичному для измерений малых турбин турбонагнетателя. Этот график уже указывает на полезные характеристики турбин со смешанным потоком.


    Из проведенного выше теоретического анализа есть достаточные основания для более подробного исследования поведения турбин в очень широком рабочем диапазоне.

    Возможная процедура для этого описана в следующем разделе.

    4. Устойчивые результаты широкого картирования для турбины со смешанным потоком

    Это исследование было проведено для небольшой турбины со смешанным потоком для автомобильного бензинового двигателя. В [15] был представлен новый простой метод широкого картирования путем изменения температуры на входе в турбину.Путем минимизации влияния тепловых потоков была оценена квазиадиабатическая карта турбины на основе данных измерений. Простая модель теплопередачи, введенная в [15], показала хорошее согласие с подходами других авторов [16]. Результирующая контурная карта после коррекции теплопередачи показана на рисунке 12. Эта карта не корректируется с учетом потерь на трение в системе подшипников.


    Отношение давления турбины к соотношению скоростей лопастей. Цвет и изолинии разделяют области одинакового общего и статического КПД турбины.Оптимальная эффективность достигается в диапазоне от 0,56 до 0,62, что намного ниже, чем обычно цитируется в литературе [9].

    Кроме того, можно видеть, что в соответствии с теорией оптимальное передаточное число лопастей, при котором турбина обеспечивает наилучший КПД, увеличивается с увеличением степени сжатия.

    может (среди прочего) интерпретироваться как коэффициент расхода и дает информацию о выходном динамическом напоре.

    , а также связаны с несколькими механизмами потерь в статоре и роторе.Поэтому оценка сценической производительности (точнее, эффективности) по этим параметрам оправдана.

    Для турбины с фиксированной геометрией (с вестгейтом) КПД зависит только от коэффициента расхода, коэффициента нагрузки и числа Рейнольдса. и степень сжатия сильно связаны. Поскольку давление на выходе турбины обычно почти равно давлению окружающей среды для испытаний на стенде горячего газа, оно также дает прямую информацию о динамическом напоре на выходе, когда температура на входе в турбину фиксирована. Передаточное число лопастей можно интерпретировать как коэффициент нагрузки.

    5. Подход к полунестационному измерению КПД турбины для широкого картирования турбины со смешанным потоком

    На основе результатов устойчивого широкого картирования, показанных выше, был разработан новый мгновенный метод измерения КПД при очень низких значениях. Так называемый высокоинерционный ротор (HIR) от IHI Charging Systems International (ICSI) основан на измерении ускорения ротора, который имеет значительно более высокую инерцию, чем стандартный ротор турбокомпрессора. Для этого компрессорное колесо было заменено на безлопастное, с нулевым рабочим колесом и с высоким моментом инерции, как показано на Рисунке 13.


    Путем измерения мгновенной скорости и использования известной инерции ротора непосредственно оценивается мгновенная мощность ускорения турбины. Эта мгновенная мощность ускорения сравнивается с почти постоянной разницей изэнтропической энтальпии, создаваемой горелкой горячего газа испытательного стенда. Поскольку массовый расход измерялся и поддерживался постоянным, температуру на входе в турбину контролировали путем установки нагревательного блока на постоянную мощность. Это было повторно проверено измерением температуры.Однако применяемые термопары не обладали быстрым откликом и не могли точно определять температуру относительно времени из-за своей тепловой инерции. Измерения давления проводились с помощью датчиков давления с «быстрым откликом», чтобы контролировать, изменяется ли степень давления во время ускорения, и чтобы обеспечить фазовую коррекцию между давлением до и после турбины. Для этого использовались калиброванные пьезорезистивные преобразователи абсолютного давления [17]. Абсолютное значение давления быстрых датчиков было проверено перекрестно с сигналом стандартного сигнала датчика давления с «медленным откликом» до начала ускорения HIR.Изображение испытательного стенда показано на рисунке 14.


    Корпус турбины, а также все трубы горячего газа и измерительные трубы изолированы для минимизации теплопередачи между турбонагнетателем и испытательной камерой. Кроме того, температура на входе в турбину, кондиционирование масла и водяное охлаждение были установлены на постоянные низкие значения для минимизации теплопередачи. Первоначально HIR блокируется, и устанавливаются желаемое соотношение давления в турбине и температура на входе в турбину. После запуска системы измерения переходных процессов ротор отпускается и ускоряется.Процедура автоматического отключения применяется для предотвращения превышения скорости HIR.

    Что касается максимальной скорости вращения, необходимо учитывать два основных аспекта: (i) Во-первых, нельзя превышать максимально допустимую скорость, чтобы избежать любого повреждения самого HIR, а также подшипниковой системы. Ясно, что динамика ротора такой системы HIR сильно отличается от ротора обычного турбокомпрессора. (Ii) Во-вторых, скорость должна быть достаточно низкой; то есть упругая деформация ротора не изменяет момент инерции.В противном случае сигнал скорости нельзя было бы использовать для измерения полезной мощности турбины во время разгона ротора.

    Типичный результат мгновенных измерений для константы показан на рисунке 15.


    Расчетные значения крутящего момента, мощности и эффективности для очень низких значений ненадежны. Это указано в самой левой части графика. Опорные подшипники начинают вращаться, и масляная пленка развивается. Таким образом, значения ниже 0.08 следует опустить. Максимально возможное значение передаточного числа лопастей ограничено максимальной скоростью вращения HIR и зависит от применяемого коэффициента давления турбины. Чем выше желаемое, тем ниже максимальное значение, которое может быть достигнуто из-за ограничений по напряжению.

    Процедура оценки мгновенного крутящего момента, мощности и эффективности приведена ниже.

    Ускорение ротора рассчитывается по формуле Затем можно рассчитать мгновенный крутящий момент, если известна инерция ротора.Инерция ротора HIR примерно в 28 раз выше по сравнению с ротором обычного турбокомпрессора: Затем мгновенную мощность турбины можно рассчитать в соответствии с Мгновенную мощность следует сравнивать с почти постоянной мощностью горелки или идеальным потоком полной статической энтальпии: Мгновенный термомеханический КПД турбины от полного до статического определяется выражением Эти «полунестабильные» результаты сравниваются с результатами устойчивого широкого картирования.Для этого контурный график на Рисунке 12 пересекается при перепаде давлений 1,4. Затем была получена единственная кривая КПД как функция передаточного числа лопастей. Эта кривая сравнивается с результатами, уже показанными на рисунке 15. Кроме того, чтобы судить о качестве мгновенного измерения и экстраполяции, также была измерена так называемая скорость разгона (рисунок 16). Это было сделано, как описано Smiljanovski et al. [18], и соответствующее измеренное значение также показано на рисунке 17.Рабочее колесо с нулевым трением (ZFI) заменяет крыльчатку компрессора, и результирующая скорость, измеренная для различных соотношений давлений турбины, является скоростью, при которой мощность турбины и мощность трения равны. Результаты измерений скорости разгона для двух различных температур на входе турбины и нескольких отношений давлений представлены на рисунке 16. Можно видеть, что для отношений давлений выше 1,6 скорость разгона остается постоянной.



    Для степени давления 1.4 и температуре на входе в турбину 20 ° C, было зарегистрировано передаточное число убегающей лопатки около 1,04.

    Анализируя рисунок 17, можно констатировать, что устойчивые и нестабильные результаты дают согласованную картину характеристик КПД турбины. Это также подтверждает значения передаточного числа лопастей, при которых достигается оптимальный КПД.

    Однако есть некоторые отклонения, которые можно объяснить. Устойчивые результаты были получены с помощью так называемого «подхода к полезному КПД турбины» [19], в котором измеренная мощность компрессора используется для расчета термомеханического КПД турбины.Эффекты теплопередачи были скорректированы с помощью простой модели теплопередачи [15], которая в целом дает очень разумные результаты в тенденции эффективности турбины. В отличие от этого, нестационарный подход не требует поправки на теплопередачу, поскольку измерения проводились при очень низких температурах турбины, а измерение мощности турбины выполняется путем измерения мощности ускорения. Но, как уже упоминалось, для этого подхода не существует крыльчатки компрессора, и, следовательно, осевое усилие отличается по сравнению с измерениями эффективности в установившемся режиме с широкой картой.Это влияет на потери в подшипниках и, следовательно, на термомеханический КПД турбины.

    Что касается нестабильной работы турбины, следует отметить, что из-за почти постоянного перепада давлений турбины во время ускорения не следует ожидать эффектов наполнения и опорожнения в спиральном корпусе турбины. Таким образом, несмотря на то, что это нестабильное измерение, проблемы, возникающие при измерении эффективности в импульсных условиях, устраняются. Таким образом, представленный здесь экспериментальный подход обозначен как «полустационарный».”

    6. Рабочие характеристики турбины в условиях пульсирующего потока

    Из-за импульса выхлопных газов от прерывистой работы поршневого двигателя турбина турбонагнетателя работает с неустойчивой проводимостью. На рисунке 18 показана работа турбины во время типичного цикла двигателя. Зеленые закрашенные ромбы представляют собой доступные измеренные точки данных. Сплошные синие линии показывают данные, аппроксимирующие экстраполяцию, а красная линия показывает нестабильную работу турбины во время цикла двигателя.На рисунке показано, что обычно ограниченные данные измерений приходится экстраполировать далеко за пределы доступного диапазона, и подчеркивается важность точных методов экстраполяции, что согласуется с выводами [20, 21].


    Таким образом, правильное прогнозирование устойчивой работы двигателя, а также неустойчивой работы или даже поведения автомобиля при ускорении сильно зависит от разумной и правильной экстраполяции.

    Измерение данных турбины по широкой карте может помочь избежать экстраполяции.Однако обычно измерение на широкой карте недоступно. Измерение широкой карты можно использовать для разработки улучшенных алгоритмов экстраполяции. Как правило, экстраполированные данные о КПД турбины не должны содержать влияния трения в системе подшипников. Трение связано не с аэродинамическими параметрами, а с реальной скоростью вала, а также с осевой нагрузкой.

    Однако стандартные данные о КПД турбины стенда горячего газа обычно содержат данные о трении из-за метода измерения. Таким образом, моделирование трения подшипника в зависимости от скорости вала и осевой нагрузки также может быть источником ошибок для экстраполяции.

    В этом разделе исследуется, как различные характеристики и конструкции турбин влияют на работу двигателя. Из приведенных выше разделов известно, что характеристики эффективности турбин со смешанным потоком могут быть полезными для применения в автомобильных турбокомпрессорах.

    На рисунке 19 показано рассчитанное увеличение давления наддува в зависимости от времени с использованием собственного кода моделирования двигателя ITES («Моделирование двигателя с турбонаддувом IHI») Ikeya et al. [22].


    Эта программа моделирования позволяет прогнозировать работу двигателя с турбонаддувом в установившихся и переходных условиях.ITES ориентирована на подробное моделирование и численное описание турбокомпрессора. Исследование, показанное на Рисунке 19, направлено на определение конфигураций турбины, которые выгодны для работы в переходных режимах. Исследование проводилось на типичном четырехцилиндровом бензиновом двигателе для легковых автомобилей с шагом нагрузки 1500 об / мин. Как уже упоминалось, переходный режим имеет большое значение, поскольку стационарный режим турбокомпрессора практически отсутствует. Это еще более выражено, поскольку ускорение транспортного средства из неподвижного состояния, а также удовлетворительное ускорение во время движения транспортного средства являются наиболее важными факторами при оценке удовлетворенности водителя.Следовательно, все технологии, улучшающие переходные характеристики турбины, полезны для турбонагнетателей.

    Все результаты сравниваются с ротором турбины со смешанным потоком, изготовленным из обычного сплава на основе никеля. Это называется базовой конфигурацией.

    Исследовались эффекты инерции и КПД турбины. Явное преимущество можно увидеть при сравнении базовой конфигурации с вариантом турбины из гамма-алюминида титана ( γ -TiAl).Поскольку плотность этого материала намного ниже по сравнению со сплавами на основе никеля, инерция ротора уменьшается, и, следовательно, ускорение такой турбины заметно улучшается и помогает увеличить рост давления наддува. Следует отметить, что это преимущество может быть поставлено под угрозу из-за более жестких производственных ограничений. Из-за плохой литейной способности γ -TiAl и его более низкой пластичности он подвержен повреждению посторонними предметами. Это почти неизбежно ухудшает аэродинамический дизайн.Например, на рисунке 20 сравниваются две конструкции турбинных колес — одна для сплава на основе никеля и одна для γ -TiAl — с одинаковой поглощающей способностью. Серый круг представляет собой «стандартную» конструкцию из сплава на основе никеля, в то время как наложенная красная одинарная лопасть показывает конструкцию γ -TiAl, которая требует большей толщины материала. Для достижения той же пропускной способности необходимо изменить распределение угла лопасти для регулировки площади горловины колеса.


    Турбинное колесо γ -TiAl из этого сравнения по-прежнему имеет на 46% меньший полярный момент инерции по сравнению с колесом из сплава на основе никеля.Что касается узла ротора (колесо турбины и вал плюс колесо компрессора), это преимущество уменьшается, но все же составляет около 30%. В прогнозируемых значениях, показанных на рисунке 20, из-за вышеупомянутых конструктивных ограничений γ -TiAl предполагается снижение эффективности турбины в 5%. Любая выгода, достигаемая за счет уменьшения инерции, нивелируется падением эффективности. Кроме того, удельный расход топлива в установившемся режиме торможения двигателем ухудшится в результате снижения эффективности турбины. Следовательно, в зависимости от индивидуальных требований к конструкции, использование этого материала может быть нежелательным и нежелательным для определенных приложений.

    Обратите внимание, что результаты моделирования также зависят от исследуемого скачка нагрузки двигателя и особенно от начальных условий скачка нагрузки, например, ускорение из неподвижного состояния больше выигрывает от уменьшенной инерции.

    Эффект изменения характеристик карты турбины, основной темы данной работы, также был исследован. По сравнению с базовой конфигурацией был смоделирован вариант с уменьшенными значениями. Пиковая эффективность такой турбины (со смешанным потоком) не обязательно увеличивается, как показано на рисунке 7, но область карты, где достигается максимальная эффективность, изменяется.Можно ясно отметить, что эта модификация поведения ступени турбины дает преимущество для обеспечения быстрого повышения давления наддува. Аналогичные результаты представлены в [23]. Конечно, вариант турбины, предлагающий как оптимизированную карту, так и низкую инерцию, показывает лучший переходный отклик.

    7. Резюме и заключение

    В связи с растущим спросом на улучшенную топливную экономичность легковых автомобилей, эксплуатационные характеристики при низких и частичных нагрузках имеют ключевое значение для проектирования турбин автомобильных турбонагнетателей.В автомобильном приводном цикле желательна турбина, которая может извлекать больше энергии при высоких соотношениях давлений и более низкой скорости вращения.

    Обычно считается, что радиальная турбина обеспечивает максимальную эффективность при передаточных числах лопастей около 0,7, но при высоких степенях давления и низких скоростях вращения передаточное число лопастей будет низким, и ротор будет испытывать высокие значения положительного угла атаки на входе. . Настоящее исследование показывает, что даже для радиальных турбин передаточное число лопастей, при котором достигается оптимальный КПД, обычно ниже, чем обычно указываемое передаточное число лопастей равное 0.7. Настоящая работа дает теоретическое обоснование и экспериментальные доказательства того, что для турбин со смешанным потоком оптимальный КПД может быть получен при еще более низких передаточных числах лопастей. Это можно объяснить более благоприятным углом впускной лопасти, поглощающей способностью и инерцией по сравнению с радиальной конструкцией.

    Настоящее исследование показывает, что турбины со смешанным потоком имеют ключевые преимущества для применения в автомобильных турбокомпрессорах, поскольку они имеют улучшенные характеристики при низких передаточных числах лопастей. Это означает, что можно использовать значительную часть энергии импульса, имеющейся в выхлопном газе.Поведение турбины турбонагнетателя со смешанным потоком было исследовано путем широкого картирования в установившемся режиме, а также с использованием нового, полунестабильного подхода к измерениям. Было обнаружено, что нестационарный подход показывает очень хорошее согласие с установившимися и убегающими измерениями. Теоретически было установлено, что передаточное число лопастей для оптимального КПД турбины со смешанным потоком намного ниже обычно цитируемого значения 0,7. Это тоже было доказано экспериментально. Наконец, было описано исследование того, как это может улучшить поведение на двигателе.Преимущества низкоинерционных турбинных колес смешанного потока были наглядно продемонстрированы.

    Номенклатура
    (также 9100 905): 908 28 Скорость вращения (1 / с) Нм)
    Статическое давление (Па)
    : Давление застоя (Па)
    : Передаточное число лопастей (-)
    Степень давления (-)
    : Скорость в неподвижной раме (м / с)
    : Скорость вращения в относительной раме (м / с)
    : Скорость отвала (м / с)
    Разница энтальпий (Дж / кг)
    : Компрессор
    : Диаметр
    : Скорость изгиба, м
    : Степень реакции (-)
    Частота падения (градусы)
    : Массовый расход (кг / с)
    :
    Разница во времени (с)
    : Время (с)
    : Мощность (Вт)
    :
    : Энтальпия (Дж / (кг · К))
    : Энтропия (Дж / (кг · К)).
    Сокращения 908
    CFD: Вычислительная гидродинамика
    MFP: Параметр массового расхода
    RFT: Турбина с радиальным потоком 9028
    Греческие символы 32 908 угол (град) 908 / с).
    Угол конуса (градусы)
    Угол граблей или развала (градусы)
    : Угол лопасти (градусы)
    Абсолютный угол потока (град)
    Коэффициент нагрузки (-)
    : Упрощенный коэффициент нагрузки (-)
    Индексы 908 Всего к статическому вход ступени 8 908 Ускорение.
    opt: Оптимальный
    : Статический
    : Всего
    : Радиальное направление 9032 Диаметр
    составляет: Изэнтропический
    : Статический в статический
    tt: Итого к итоговому
    ts:
    3.5: Входное отверстие турбинного колеса
    4: Выход турбины (колеса)
    : Меридиональный
    : Турбина

    Воздействие низкой температуры окружающей среды на современный дизельный двигатель с турбонаддувом, работающий в ездовом цикле на JSTOR

    Abstract

    РЕЗЮМЕ Переходный режим работы двигателя привлек большое внимание исследователей из-за его высокой частоты возникновения во время повседневной эксплуатации транспортного средства.Ожидается, что выбросы будут больше по сравнению с условиями эксплуатации в установившемся режиме из-за проблемы с турбонаддувом. Температура окружающей среды оказывает значительное влияние на переходные процессы в двигателе, особенно при запуске двигателя. В этом исследовании исследуется влияние температуры окружающей среды на выбросы из двигателя в соответствии с Новым европейским ездовым циклом (NEDC). Сценарии переходных режимов работы двигателя были выполнены на современном 3,0-литровом дизельном двигателе V6 с турбонаддувом и Common Rail, работающем на зимнем дизельном топливе в холодной камере при различных температурах окружающей среды в диапазоне от +20 ° C до -7 ° C.Двигатель с топливом, охлаждающей жидкостью, воздухом для горения и смазочным маслом пропитывался и поддерживался при желаемых испытательных температурах во время переходных сценариев. Мгновенные характеристики двигателя, включая крутящий момент и скорость, газообразные выбросы, такие как CO, THC и NOx, а также выбросы твердых частиц по их количеству и массе анализируются во время каждого переходного сценария при различных условиях окружающей среды. Общие совокупные выбросы газообразных веществ и твердых частиц во время NEDC оцениваются количественно вместе с параметрами двигателя для каждой температуры окружающей среды.Результаты показывают, что почти все выбросы двигателя увеличиваются с понижением температуры окружающей среды, самые высокие удельные выбросы газов и твердых частиц наблюдаются на более ранней стадии NEDC.

    Информация о журнале

    Международный журнал топлива и смазочных материалов SAE — ведущий международный научный журнал, в котором публикуются отчеты об исследованиях, посвященных топливам и смазочным материалам в автомобильной технике. Журнал призван стать основным источником информации для всесторонних и инновационных исследований в области топлива, смазочных материалов, добавок и катализаторов, предоставляя рецензируемую платформу для академиков, ученых и промышленных исследователей для презентации своей работы.

    Информация для издателя

    SAE International — это глобальная ассоциация, объединяющая более 128 000 инженеров и технических экспертов в аэрокосмической, автомобильной и коммерческой промышленности. Основные направления деятельности SAE International — обучение на протяжении всей жизни и разработка добровольных согласованных стандартов. Благотворительным подразделением SAE International является SAE Foundation, который поддерживает множество программ, включая A World In Motion® и Collegiate Design Series.

    Подход к моделированию для решения проблемы шума ротора турбокомпрессора

    1.Введение

    Современные тенденции в области бензиновых двигателей с непосредственным впрыском с турбонаддувом и растущие требования к характеристикам современных дизельных двигателей с турбонаддувом ставят перед разработчиками новые задачи. По мере того, как двигатели внутреннего сгорания (ДВС) настраиваются более акустически, акустика турбонагнетателей становится все более важной. Исторически оптимизация акустики основывалась исключительно на эмпирических моделях для описания шумового поведения турбокомпрессоров. Для решения проблем шума и вибрации необходимо разработать эффективный подход к решению проблем.

    В турбонагнетателях бывают синхронные, суб- и суперсинхронные источники шума. Необходимо принять необходимые меры к турбокомпрессорам, чтобы свести к минимуму эти шумы, потому что индуцированный шум турбокомпрессора возбуждает другие компоненты поблизости и передается в кабину транспортного средства и окружающую среду. По этой причине нелинейные динамические характеристики ротора были тщательно изучены авторами для турбокомпрессоров с подшипниками с плавающим кольцом.

    В целом типы шума, создаваемого автомобильными турбокомпрессорами, обычно подразделяются на следующие категории [1]:

    • Вибрации турбонагнетателей, вызываемые двигателем.Частота возбуждения относительно низкая для этого типа вибрации, и обычно она не влияет на шум турбокомпрессоров, поскольку его частота лежит за пределами слышимого человеком диапазона. С другой стороны, влияние вибрации турбокомпрессора наиболее значимо.

    • Свисток о дисбалансе вызван несбалансированным ротором и изменением дисбаланса ротора после продолжительной работы. Его гармоническая синхронная частота (1X).

    • Постоянный тон (вой) вызывается внутренним масляным вихрем из-за вихря масла в радиальном подшипнике с масляной пленкой, его частота лежит в основном в диапазоне слышимости человека.

    • Гармонический шум высокого порядка часто возникает в турбокомпрессорах с подшипниками качения. Этот тип шума также может быть вызван неправильной конструкцией зазора масляного демпфера между наружным кольцом подшипника или картриджем и корпусом подшипника. Гармонический шум высокого порядка имеет несколько порядков частоты гармоник 2, 3, 4, 5X и выше, а также частоты боковой полосы модуляции.

    • Шум от износа чаще всего возникает в турбокомпрессорах с подшипниками качения, если имеют место дефекты износа шариков, роликов, сепаратора, внутреннего и внешнего колец.

    • Свист пульсации вызван небольшими различиями в объемах камеры рабочего колеса компрессора из-за изменений процесса фрезерования или формования. Это также зависит от количества этих неравных камер рабочего колеса компрессора.

    • Шум вращения создается вращающимися лопастями компрессора или турбинных колес. Этот шум имеет очень высокие частоты (частота прохождения лопастей), несколько кГц или выше, что зависит от количества лопастей и скорости ротора.

    • Рычание вызвано частичным изменением направления потока наддувочного воздуха в крыльчатке компрессора.Частичное разделение потока на стороне всасывания возле выпускного отверстия лопасти вызывает рычание. Рычание распространяется в направлении выхода компрессора и промежуточных охладителей наддувочного воздуха.

    • Воющий шум вызван сильным помпажем в крыльчатке компрессора, когда наддувочный воздух полностью рециркулирует от выхода компрессора к входу компрессора. Воющий шум возникает, когда водитель внезапно отпускает педаль газа, в результате чего требуемый массовый расход наддувочного воздуха для двигателя внезапно снижается при все еще высоких оборотах турбонагнетателя.Это приводит к резкому скачку напряжения в компрессоре. Воющий шум распространяется в направлении входа компрессора и системы воздушного фильтра.

    Типы индуцированной вибрации и шума турбонагнетателя, разделенные на колебания двигателя и роторно-динамические колебания, а также шум и аэродинамический шум, приведены на рис. 1.

    Рис. 1. Типы наведенной вибрации и шума турбокомпрессора

    2. Моделирование шума и вибрации турбокомпрессора

    Целью исследовательской деятельности является разработка эффективного подхода к моделированию с акцентом на возбужденные вибрации двигателя и роторный динамический шум, вибрацию и резкость (NVH).Подход к моделированию должен исследовать влияние проектных параметров на NVH турбокомпрессора путем выполнения подробных параметрических исследований с помощью многопрофильной модели автоматизированного проектирования (CAE).

    Предлагаемый подход к моделированию позволяет учесть вибрационные решения от ДВС на турбокомпрессоре. Этот вариант требует сборки по крайней мере вычислительной модели кривошипной передачи в многотельной системе (MBS), такой как виртуальная кривошипная передача, или расширение этой модели виртуальной коробкой передач или другими моделями подсистем.Виртуальная трансмиссия как вычислительная модель коленчатого вала представлена ​​Drapal [3], а виртуальная коробка передач — Furch [4]. Более высокий уровень моделей ДВС, включающих колебания различных подсистем трансмиссии, требует использования более сложной вычислительной модели, например виртуальный движок. Такой подход представлен, например, Новотным [5]. Предлагаемый подход к моделированию как CAE-процесс показан на рис. 2.

    Рис. 2. Схема подхода к моделированию для решения NVH турбокомпрессора

    2.1. Роторно-динамический анализ

    Роторно-динамический анализ реализуется с помощью вычислительной модели, называемой виртуальным турбонагнетателем. Виртуальный турбонагнетатель — это модель, позволяющая имитировать реальность и включающая в себя важные физические явления, охватывающие структурную и гидродинамику. Модель собрана, а также численно решена в многотельной системе ADAMS. Виртуальный турбонагнетатель включает в себя все важные компоненты, необходимые для роторно-динамического решения. Графическое изображение виртуального турбокомпрессора показано на рис.3.

    Вал ротора турбокомпрессора, колеса компрессора и турбины, гидродинамические радиально-плавающие подшипники и осевые упорные подшипники являются основными частями модели. Вал ротора смоделирован с использованием гибкого тела на основе дискретных принципов МКЭ (метод конечных элементов), как демонстрирует Кнолль [6]. Ротор турбокомпрессора включает в себя полуплавающие кольцевые подшипники для увеличения демпфирующего действия обычных гидродинамических подшипников. Подшипник состоит из трех частей — отверстия корпуса (втулки), вала и плавающего кольца.Плавающее кольцо отделяет вал от отверстия корпуса, поэтому образуются две масляные пленки — внутренняя и внешняя масляная пленка.

    Поскольку подшипник журнала представлен в MBS набором предварительно рассчитанных баз данных, необходимо учитывать несколько предположений [7], чтобы можно было заранее создать базы данных. Для точного моделирования динамики ротора должны быть известны все параметры подшипника — диаметр подшипника, ширина, размеры отверстий и зазоры для внутренней и внешней масляной пленки, параметры масла — динамическая вязкость, давление масла на входе и температура масла.

    Обе масляные пленки рассматриваются отдельно как подшипник скольжения. Гидродинамическое давление и соответствующие силы и моменты решаются численно путем решения уравнения Рейнольдса. Уравнение Рейнольдса основано на модификации уравнения Навье-Стокса и уравнения неразрывности, преобразованного для цилиндрических форм масляного зазора подшипника. Полная форма уравнения была упрощена и модифицирована на основе работы Новотного [8].

    Безразмерные силы и моменты, рассчитанные из распределения гидродинамического давления, хранятся в базах данных и считываются во время решения роторной динамики.Переход к безразмерной форме позволяет эффективно решать уравнение, а также решать уравнения для групп подшипников (в зависимости только от размеров отдельных подшипников).

    Имитация разгона турбокомпрессора выполняется с 30 000 мин -1 до 120 000 мин -1 для турбокомпрессора двигателя большегрузного автомобиля, включая оставшийся дисбаланс ротора. Поведение ротора обычно анализируется путем преобразования сигналов времени в частотную область, изображенную на диаграмме Кэмпбелла.Этот тип оценки результатов оказался лучшим способом оценки вибрации ротора. При рассмотрении вибрации ротора оцениваются два важных явления:

    • Синхронные колебания, вызванные дисбалансом ротора.

    • Субсинхронные колебания примерно постоянной частоты, также известные как постоянный тон.

    Синхронные колебания вызываются силами дисбаланса, пропорциональными дисбалансу и квадрату скорости ротора.Это дипольная сила, действующая на турбонагнетатель и вызывающая неуравновешенный свист. Свисток о дисбалансе — один из наиболее неприятных видов воздушного шума турбонагнетателей. Для уменьшения свиста дисбаланса ротор турбокомпрессора должен быть быстро уравновешен в двух балансировочных плоскостях.

    Рис. 3. Схема виртуального турбонагнетателя как многотельной модели

    Механизм первопричины шума постоянного тона основан на явлениях масляного вихря [9].Вибрации, вызванные масляным вихрем, во многих случаях являются доминирующими и могут рассматриваться как основной источник роторных динамических колебаний. В случае влияния масляного вихря на излучаемый шум масляный вихрь во внутреннем масляном слое более значительный. Внешний масляный слой в основном генерирует шум на низких частотах, которые находятся за пределами частотных диапазонов, чувствительных для человека.

    2.2. Анализ структурной вибрации

    Первым шагом в решении структурных колебаний корпуса турбокомпрессора является модальный анализ, который определяет собственные частоты и формы колебаний конструкции.Собственные частоты для модели корпуса рассчитываются до 3 кГц. Оценка модальных результатов позволяет найти потенциальные резонансы и дает возможность внести соответствующие изменения в конструкцию, если резонансы обнаружены в решении с принудительным откликом.

    Следующим шагом в предлагаемом подходе является динамическое моделирование методом конечных элементов с помощью коммерческого программного обеспечения ANSYS. Силы реакции подшипника, извлеченные из результатов роторной динамики виртуального турбонагнетателя, нагружаются на конструкцию корпуса, и выполняется расчет принудительной реакции.Результаты динамического расчета включают деформации корпуса. В качестве дополнительного результата, структурный отклик на граничной поверхности структура-жидкость экспортируется для заключительного этапа подхода, то есть анализа распространения шума.

    2.3. Анализ распространения шума

    Расчетное моделирование шума турбокомпрессоров — сложная задача, включающая множество междисциплинарных моделей. FEM и метод граничных элементов (BEM) для распространения шума, метод конечных объемов (FVM) для генерации аэроакустического шума или вычислительная нелинейная роторная динамика объединены для моделирования роторно-динамического и аэроакустического шума [1].

    В случае шума роторной динамики МКЭ используется для расчета акустических свойств акустической области. FEM напрямую решает уравнения в трехмерной акустической области, окружающей излучающую поверхность турбокомпрессора, как показано на рис. 4.

    Рис. 4. КЭ модель для расчета шумового излучения от поверхности турбокомпрессора

    Распределение акустических величин в акустической области и на контрольной поверхности (расположенной на определенном расстоянии от центра) или интегральные величины, описывающие источник звука или определенную точку в акустическом поле, являются результатами решения акустической задачи.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *