Турбина как работает: как устроен и как работает

как устроен и как работает

Алексей Федоров

автомеханик со стажем

Профиль автора

Чем больше топливовоздушной смеси поступит в цилиндры, тем выше будет КПД двигателя.

Подать больше топлива не проблема: достаточно установить более производительный топливный насос и форсунки. С воздухом сложнее: в конце такта впуска в цилиндре атмосферного двигателя он будет разреженным.

Система турбонаддува использует энергию отработавших газов и делает так, чтобы воздуха в цилиндрах было больше. Атмосферный двигатель 1,6 л 103 л. с. прослужит дольше турбированного 1 л. Но последний при этом будет более экономичным и экологичным при той же мощности.

Разберемся, как устроена система турбонаддува и как она работает.

Что вы узнаете

• На какие двигатели ставят турбонаддув
• Что такое турбокомпрессор
• Интеркулер
• Вестгейт и актуатор турбины
• Предохранительный клапан
• Как работает турбонаддув
• Дополнительные системы в турбонаддуве

Рассылка для автолюбителей и тех, кто подумывает ими стать

Главное о том, сколько стоит владеть машиной, к чему быть готовым и как отстаивать свои права, — в вашей почте дважды в месяц. Бесплатно

На какие двигатели ставят турбонаддув

Турбонаддув встречается и на бензиновых, и на дизельных двигателях. На последних значительно чаще.

Работой бензинового ДВС управляет дроссельная заслонка: топливо подается пропорционально поступающему в цилиндры воздуху. Поэтому атмосферный бензиновый двигатель выдает неплохие показатели во всем диапазоне оборотов.

/guide/throttle/

Дроссельная заслонка: зачем нужна и как ломается

Работа дизельного двигателя регулируется количеством топлива, которое распыляют форсунки в цилиндры. Дроссельной заслонки нет, воздух в них поступает свободно. На холостом ходу и в режиме частичной нагрузки дизельный ДВС работает отлично. В режиме средней и полной нагрузки подача топлива увеличивается, а воздуха столько же: топливо в избытке, смесь переобогащенная, двигатель теряет эффективность.

Турбонаддув компенсирует недостаток воздуха. Благодаря турбине дизельный двигатель легкового автомобиля работает фактически в том же рабочем диапазоне оборотов, что и бензиновый.

Система турбонаддува состоит из турбокомпрессора, интеркулера, а также из регулировочных и предохранительных клапанов. Дальше мы поговорим о компонентах системы турбонаддува, поймем, где их искать, а также разберемся, как все это работает.

Из чего состоит система турбонаддува

Турбокомпрессор

У турбокомпрессора есть холодная и горячая части — обе похожи на улитку. Такая форма позволяет наиболее эффективно направлять потоки газов. Улитки соединены через картридж — корпус для вала, с одной стороны которого закреплено колесо турбины, а с другой — колесо компрессора. В корпусе картриджа есть масляные каналы и каналы для охлаждающей жидкости.

Горячая часть турбины работает с выхлопными газами высокой температуры — обычно 500—1000 °С. Улитка здесь отлита из чугуна с добавлением никеля, крыльчатка турбины — из жаропрочного сплава стали, никеля и хрома — инконеля. Холодная часть работает с воздухом из атмосферы, поэтому улитку и крыльчатку чаще всего отливают из алюминия.

Один из способов повысить производительность турбокомпрессора — сделать крыльчатки с обеих сторон более легкими. Горячую крыльчатку могут изготовить из титана или керамики, холодную — из магния. Также холодную крыльчатку можно выточить с помощью ЧПУ из цельного куска алюминия, ребра в таком случае будут тоньше. Все вышеперечисленные доработки делают турбокомпрессор более дорогим.

/guide/obkatka/

Что такое обкатка двигателя и как его обкатать

Турбокомпрессор или турбокомпрессоры — если их два или больше — ставят там, откуда выходят отработавшие газы. Вот какие могут быть варианты:

1. один турбокомпрессор: обычно на рядных двигателях с тремя или четырьмя цилиндрами. Включается, когда энергии выхлопных газов достаточно, чтобы раскрутить турбинное колесо, — в среднем и высоком диапазоне оборотов двигателя;
2. два разных турбокомпрессора, которые стоят один за другим. Систему можно встретить на рядных двигателях с четырьмя или больше цилиндрами. Маленький работает в низком диапазоне оборотов двигателя. При средних и высоких оборотах он выключается и начинает работать большой турбокомпрессор;
3. два одинаковых по размерам и характеристикам турбокомпрессора, которые почти всегда стоят по отдельности. В рядном шестицилиндровом двигателе будет по одному на три цилиндра, в V-образном или оппозитном — по одному турбокомпрессору на головку блока цилиндров.

Одна и та же конфигурация с двумя турбокомпрессорами у одного производителя может называться «Битурбо», у другого — «Твинтурбо».

Теперь попробуем разобраться, где под капотом искать турбокомпрессор. Иногда его видно, иногда нет. Примеры — на фотографиях ниже.

/kapremont-dvs-honda/

Как я делал капитальный ремонт двигателя Хонды Аккорд 2007 года

Из чего состоит система турбонаддува

Интеркулер

Интеркулер — это радиатор для охлаждения сжатого воздуха. Бывает воздушный и жидкостной.

Воздушный интеркулер работает на открытом воздухе. Через его каналы проходит сжатый разогретый воздух, который потом поступает в цилиндры ДВС. А набегающий воздух с улицы идет через соты: все работает так же, как в случае с радиатором охлаждения двигателя.

Такие интеркулеры чаще всего устанавливают перед основным радиатором или под ним. Иногда его располагают над двигателем, в этом случае на капоте будет явно выраженный воздухозаборник.

Интеркулер может быть расположен даже в боковых дефлекторах бампера, под фарами. Так делали на Пассате в кузове B5, Шкоде Октавии Тур. На Фольксвагене Туареге два интеркулера — с обеих сторон переднего бампера.

/guide/motor-po-kontraktu/

Как покупать б/у двигатели и коробки передач

Проблемы воздушных интеркулеров:

1. Соты забиваются грязью, воздух проходит хуже, появляются проблемы с охлаждением.
2. Может потерять герметичность из-за механических повреждений или коррозии. Сжатый воздух уходит, давление наддува снижается, мощность падает.
3. Даже будучи абсолютно чистым, может перегреться, если машина стоит в пробке. Встречного потока воздуха нет, сжатый воздух не охлаждается, эффективность интеркулера падает. Но восстанавливается, когда машина начинает двигаться с достаточной для охлаждения скоростью.

Жидкостной интеркулер — радиатор с охлаждающей жидкостью внутри впускного коллектора и с собственным контуром охлаждения. Такой интеркулер сильно экономит подкапотное пространство, вдобавок уменьшает объем впускного тракта от турбины до двигателя. Благодаря такой конструкции турбокомпрессор раньше выходит на рабочее давление.

Машина с жидкостным интеркулером ведет себя практически одинаково и в жару, и в мороз. Минус — более сложная конструкция: нужен дополнительный радиатор, чтобы охладить горячий антифриз из интеркулера.

Если жидкостный интеркулер перестанет быть герметичным, антифриз попадет в масло. В одном случае может образоваться эмульсия, в другом случится гидроудар — тут как повезет.

/guide/motor-oil/

Моторное масло: из чего состоит и как его правильно выбирать

Жидкостной интеркулер Фольксвагена Тигуана с двигателем 1.4 TSI. Закреплен во впускном коллекторе десятью винтами, из него выходят патрубки охлаждающей жидкости. Машина после ДТП, передняя часть разобрана Радиаторам тоже досталось, зато хорошо видно, что их три

Из чего состоит система турбонаддува

Вестгейт и актуатор турбины

Актуатор турбины управляет регулировочным клапаном — вестгейтом. Или, в простонародье, калиткой. Как только в горячей части турбины возникает максимально допустимое давление наддува, актуатор открывает вестгейт. Часть выхлопных газов проходит мимо крыльчатки турбины. Благодаря этому она не разгоняется больше, чем необходимо.

На конце тяги актуатора есть резьба, которая позволяет отрегулировать положение вестгейта. В нормальном состоянии он должен быть плотно закрыт Выход из горячей части турбины: вестгейт слева, крыльчатка — справа

Из чего состоит система турбонаддува

Предохранительный клапан

Если резко сбросить газ, обороты двигателя упадут быстро, дроссельная заслонка закроется. Но турбокомпрессор продолжит быстро вращаться по инерции и создавать повышенное давление. Если это произойдет, вал может сместиться, а масляный клин — разрушиться. Возникнет трение, детали картриджа износятся.

Чтобы не повредить детали впускного тракта, нужен предохранительный клапан. Есть два варианта.

6 способов сломать двигатель автомобиля

Перепускной клапан, байпас. Когда водитель резко отпускает газ, дроссельная заслонка закрывается, давление на впуске растет, а клапан открывается и перепускает сжатый воздух обратно — в зону до турбины, к воздушному фильтру. Нагрузки на крыльчатку не избежать, но такая система позволяет хорошо амортизировать такие толчки и перенаправлять уже сжатый воздух обратно во впуск.

Двигатель Фольксвагена 1.4 TSI CAXA. Перепускной клапан — байпас — в черном корпусе, прикручен к холодной улитке. Байпас связан с блоком управления двигателя через разъем и может открываться не при возрастании давления, а как только закроется дроссельная заслонка. Это существенно снижает риск критических нагрузок

Редукционный клапан, блоу-офф. Работает по тому же принципу: открывается при достижении предела допустимого давления, но выбрасывает наружу сжатый воздух, а это также снижает нагрузку на крыльчатку турбины. В процессе слышен характерный свист — его ценят любители автомобильного тюнинга.

Автопроизводители чаще используют байпас: он не создает излишнего шума под капотом. Это преимущество, если речь идет о семейном или рабочем автомобиле.

Блоу-офф на патрубке подвода сжатого воздуха, синий шланг подключен к нему же. Когда давление на впуске возрастает, давление через этот шланг передается на мембрану внутри редукционного клапана. Он открывается и стравливает избыточное давление наружу. Такие часто используют в автоспорте либо в тюнинге, чтобы получить от турбины «пшик». Источник: taro911_Photographer / Shutterstock Как звучит блоу-офф разных производителей. Источник: канал «AJS Нюансы Тюнинга» на «Ютубе»

Как работает турбонаддув

Поток отработавших газов в турбированном двигателе первым делом попадает на турбинное колесо, а только потом — в выхлопную трубу. Крыльчатка турбинного колеса преобразует энергию во вращение и через ось передает его на крыльчатку колеса компрессора. В свою очередь, она засасывает воздух в центре и разгоняет его по радиусу.

Форма улитки на горячей стороне помогает эффективно улавливать поток отработавших газов. На холодной стороне — собирать атмосферный воздух и направлять его дальше по каналам интеркулера. Ось при этом работает в масляном клину и развивает до 150 000 оборотов в минуту.

При сжатии воздух сильно нагревается и попадает в интеркулер. После него уже охлажденный воздух попадает в цилиндры двигателя. Вестгейт и предохранительный клапан срабатывают по мере необходимости.

Сообщество 07.04.22

Чем рискует продавец автомобиля с нештатным двигателем?

Дополнительные системы в турбонаддуве

Изменяемая геометрия турбины — решение, которое позволяет направлять потоки выхлопных газов на крыльчатку турбины под разным углом. Работают специальные подвижные лопатки. Когда давление выхлопных газов низкое, они встают под острым углом и почти смыкаются. Газы попадают на крыльчатку под более острым углом, скорость потока увеличивается, турбина работает на низких оборотах. Когда двигатель набирает обороты, давление выхлопа возрастает, лопатки изменяемой геометрии встают в исходное положение и не препятствуют потоку выхлопных газов.

Такая система почти всегда есть на дизельных двигателях: у них невысокий рабочий диапазон оборотов.

Горячая часть справа. Над крыльчаткой турбины есть подвижные лопатки. Источник: dreamnikon / Shutterstock Принцип работы турбокомпрессора с изменяемой геометрией. Источник: канал «Coupemaniaful» на «Ютубе»

Управление подъемом выпускных клапанов. Клапаны здесь также ускоряют поток выхлопных газов на пути к крыльчатке турбины: приподнимаются на определенную высоту, при которой могут его усилить, когда это необходимо.

Такое техническое решение применили на двигателях 1.8 и 2.0 TSI третьего поколения. Их можно встретить на Шкоде Октавии в кузове A7, в новом Фольксвагене Тигуане или Пассате. При этом есть такие же двигатели, но электроника на них управляет подъемом впускных клапанов. Такие ДВС менее мощные, но более экономичные.

Антилаг можно встретить на гоночных автомобилях, особенно на раллийных. Когда пилот бросает газ, дроссельная заслонка резко закрывается и блок управления двигателем устанавливает очень позднее зажигание.

/list/the-fastest-cars/

Ручная сборка и серебро в салоне: топ-10 самых быстрых машин в мире

Топливовоздушная смесь поджигается уже с открытым выпускным клапаном, появляется прямой поток горящего пламени. Турбина продолжает благодаря этому работать на высоких оборотах, а из выхлопной трубы вылетают языки пламени.

Обычно это происходит, когда гоночная машина входит в поворот: в этот момент пилот отпустил газ и включилась антилаг-система. На выходе из поворота он выжмет газ, а во впускном коллекторе уже будет сжатый воздух.

Запомнить

1. Машины с турбонаддувом более дорогие при покупке и в эксплуатации.
2. Прибавка 30—50% мощности — весомый аргумент в пользу турбированного двигателя.
3. Почти любой дизельный двигатель на легковой машине — турбированный.

Новости, которые касаются всех, — в нашем телеграм-канале. Подписывайтесь, чтобы быть в курсе происходящего: @tinkoffjournal.

Принцип работы турбины. Как работает турбонаддув в автомобиле

Для более ясного представления о том, как работает турбина в автомобиле, прежде всего необходимо ознакомится с принципом работы двигателя внутреннего сгорания. Сегодня, основная масса грузовых и легковых автомобилей оснащаются 4-х тактными силовыми агрегатами, работа которых контролируется впускными и выпускными клапанами.

Каждый из рабочих циклов такого двигателя состоит из 4 тактов, при которых коленвал делает 2 полных оборота

 

Впуск — при этом такте осуществляется движение поршня вниз, при этом в камеру сгорания поступает смесь топлива и воздуха (если это бензиновый двигатель) или только воздуха в случае если это дизельный агрегат.

Компрессия — при этом такте происходит сжатие горючей смеси.

Расширение — на этом этапе происходит воспламенение горючей смеси при помощи искры, вырабатываемой свечами. В случае с дизельным двигателем, воспламенение осуществляется произвольно под действием высокого давления впрыска.

Выпуск — поршень двигается вверх, при этом освобождаются выхлопные газы.

Такой принцип работы двигателя определяет следующие способы повышения его эффективности:

— Установка турбонаддува
— Увеличение рабочего объёма двигателя
— Увеличение числа оборотов коленчатого вала двигателя

Как работает турбина в автомобиле?

 

 

 

Увеличение рабочего объёма двигателя

Увеличение объёма двигателя возможно двумя путями: либо увеличением объема камер сгорания, либо — увеличением количества цилиндров в силовом агрегате. Однако такой способ повышения мощности не совсем оправдан, так как имеет ряд недостатков, среди которых: повышенный расход топлива.

Увеличение числа оборотов коленчатого вала двигателя

Еще один возможный способ повышения производительности двигателя заключается в увеличении числа оборотов коленчатого вала. Это достигается путем увеличения количества ходов поршня за единицу времени. Но использование такого способа имеет жесткие ограничения, которые обусловлены техническими возможностями двигателя. Кроме этого, такая модернизация приводит к падению эффективности работы силового агрегата из-за потерь при впуске и других операциях.

Турбонаддув

В двух предыдущих способах двигатель использует воздух, который поступает благодаря собственному нагнетанию. При использовании турбокомпрессора в цилиндр поступает тот же объем воздуха но с предварительным его сжатием. Это дает возможность поступлению большего количества воздуха в цилиндр, благодаря чему появляется возможность сжигания большего объема топлива. При использовании такой технологии, мощность двигателя возрастает по отношению к количеству потребляемого топлива и объему двигателя.

Охлаждение воздуха

В процессе компрессии воздух может нагреваться вплоть до 180 С. Однако воздух имеет свойство увеличения плотности при охлаждении, что дает возможность значительно увеличить объем воздуха, попадающего в цилиндр. Кроме этого, увеличение плотности воздуха существенно снижает расход топлива и количество выбросов продуктов сгорания.

Также существует два разных типа турбонаддува: турбокомпрессор, основанный на использовании энергии выхлопных газов и турбонагнетатель с механическим приводом.

Турбонагнетатель с механическим приводом

В случае использования такого типа компрессии, воздух сжимается благодаря специальному компрессору, который работает от привода двигателя. Но такой метод имеет один большой недостаток. Все дело в том, что при использовании механического турбокомпрессора часть мощность двигателя уходит на обеспечение работы самого компрессора, по этому двигатель, оборудован таким нагнетателем, имеет больший расход топлива чем обычный двигатель такой же мощности.

Турбокомпрессор основанный на использовании энергии выхлопных газов

Такой метод основан на использовании энергии выхлопных газов, которая направлена на привод турбины. При использовании такого способа отсутствует механическое соединение с двигателем, благодаря чему потери мощности не происходит.

Основные преимущества двигателей с турбонаддувом

1) Турбодвигатель имеет меньшее показатели по расходу топлива нежели двигатель без турбины той же мощности и при прочих равных условиях.

2) Силовой агрегат с с турбонаддувом имеет заметно лучшие показатели соотношения веса двигателя к развиваемой им мощности.

3) Использование турбокомпрессора открывает новые возможности по оптимизации других параметров и характеристик двигателя, а также улучшения крутящего момента, что позволит избежать очень часто переключения передач при езде в пробках или гористой местности.

4) Турбодвигатели работают тише чем агрегаты такой же мощности без турбонаддува.

Как вращение турбины генерирует энергию?

Хотя электричество было открыто еще в 18 веке, с тех пор люди добились значительных успехов в производстве электроэнергии с помощью различных средств. Одним из наиболее распространенных способов получения энергии являются турбины различных типов, в том числе газовые и паровые турбины. В основе работы турбины по производству энергии лежит вращение ее роторов. Вот разбивка того, как это вращение генерирует большое количество электроэнергии.

Основы производства электроэнергии

Проще говоря, генераторы преобразуют кинетическую энергию, основанную на движении, в электрическую энергию. Однако существует ряд различных способов получения этой кинетической энергии. Чаще всего эта электрическая генерация создается с помощью электромагнитной индукции и использования механической энергии, которая заставляет генератор вращаться. Поэтому одной из самых основных операций генератора является создание кинетической энергии.

Как работают газовые турбины

Газовые турбины, также известные как турбины внутреннего сгорания, состоят из газового компрессора, расположенной ниже по потоку турбины и камеры сгорания, известной как камера сгорания. Воздух всасывается в компрессор, где встречается с топливом, чаще всего с природным газом. Это приводит к сгоранию, и газ с высокой температурой и высоким давлением затем вращает вращающиеся лопасти, которые втягивают больше сжатого воздуха в камеру сгорания и вращают генератор.

Как работают паровые турбины

Работая по тому же принципу, паровые турбины вместо этого используют чрезвычайно высокую температуру и пар высокого давления для извлечения тепловой энергии. При этом вода нагревается в котле для создания пара, который затем закачивается в турбину для вращения лопастей турбины. После этого пар часто снова охлаждают до жидкого состояния, а затем используют для создания большего количества пара. Как и в газовой турбине, вращающийся генератор имеет решающее значение для производства электроэнергии.

Как вращение создает электричество

Современные генераторы работают на тех же принципах электромагнитной индукции, которые были открыты в 1832 году. В этом году человек по имени Майкл Фарадей обнаружил, что электрические заряды могут создаваться при перемещении электрического проводника в магнитном поле. Это движение приводило к разнице напряжений между двумя концами провода или проводника, что приводило к потоку электрического заряда и, наконец, к электрическому току. В современных генераторах вращающиеся элементы окружены большим магнитом и катушками из медной проволоки. Магнит вращается за счет вращения колес, в результате чего возникает мощный поток электронов, превращающий механическую энергию в электрическую.

Эффективность турбин

Поскольку спрос на нефть и газ в глобальном масштабе растет, энергетические компании вынуждены учитывать эффективность турбин. Из-за множества факторов, участвующих в производстве энергии с помощью турбин, существует ряд стадий, на которых эффективность теряется. Хотя на этапе прядения вырабатывается само электричество, предыдущие этапы, требующие большого количества тепла и сгорания, могут привести к потере эффективности. В целом, паровые турбины являются более эффективной моделью, чем газовые турбины, поскольку в среднем они требуют меньше затрат на техническое обслуживание и оборудование. Кроме того, поскольку для них требуется источник постоянного тепла, операции обычно включают постоянный источник тепла, что приводит к более высокой эффективности. Однако они также требуют большого количества времени для достижения рабочего уровня. Процессы сгорания в газовых турбинах означают значительные колебания температуры, что приводит к снижению эффективности. Однако многие заводы компенсируют эту потерю эффективности, используя систему с комбинированным циклом. В этой системе горячий выхлопной газ из газовой турбины передается в паровую турбину, что значительно повышает эффективность операций в целом.

Поскольку стадия вращения турбины очень важна для выработки энергии, для электростанций важно иметь согласованные операции управления своими турбинами, роторами и оборудованием. Для получения дополнительной информации о том, как Petrotech предоставляет интеллектуальные системы управления для электростанций, изучите наши рекомендуемые официальные документы.

Как работают ветряные турбины?

Как работают ветряные турбины?

Краткое руководство о том, как электричество вырабатывается из одного из самых распространенных возобновляемых источников в Великобритании: ветра.

Популярный вопрос, который приводит людей на сайт Good Energy: как работают ветряные турбины? Ветряные электростанции производят большую часть возобновляемой электроэнергии, которую мы используем здесь, в Великобритании.

Итак, вот (почти) все, что вам нужно знать о производстве электроэнергии из ветра.

Как работают ветряные турбины?

Лопасти ветряной турбины вращаются под воздействием ветра. И это не обязательно должен быть сильный ветер: лопасти большинства турбин начинают вращаться при скорости ветра 3-5 метров в секунду, что является легким ветерком.

Именно это вращательное движение вращает вал в гондоле — коробчатой ​​конструкции в верхней части ветряной турбины. Затем встроенный в гондолу генератор преобразует кинетическую энергию вращающегося вала в электрическую энергию. Затем он проходит через трансформатор, который повышает напряжение, чтобы его можно было транспортировать по национальной сети или использовать на местном объекте.

От микроветряка для выработки энергии в домашних условиях до огромных морских ветряных электростанций — все ветряные турбины используют один и тот же механизм для выработки электроэнергии.

Сколько энергии производит ветряная турбина?

Все это означает, что способность ветряной турбины генерировать максимальное количество энергии зависит от ветра. Ветряные электростанции тщательно планируются, чтобы убедиться, что они находятся в местах с надежным потоком ветра круглый год. Это, как правило, на вершине холма с большим количеством открытого пространства вокруг и в прибрежных районах. Вот почему в таких местах, как Корнуолл и Шотландия, довольно много ветряных электростанций.

Почему в Великобритании так много ветряных электростанций?

В Великобритании насчитывается более 11 000 ветряных турбин, включая береговые и морские ветряные электростанции. Они популярны, потому что открытая позиция Великобритании на северо-западной окраине Европы делает ее особенно ветреной, а Шотландия является самым ветреным местом на всем континенте.

Еще одним дополнительным бонусом является низкий углеродный след, создаваемый при строительстве ветряных электростанций – один из самых маленьких среди новых генераторов возобновляемых источников энергии.

Сколько электроэнергии вырабатывается за счет энергии ветра?

Согласно последней информации от National Grid, чуть более 26% электроэнергии в Великобритании вырабатывается за счет энергии ветра. В 2013 году этот процент составлял всего 7%, что свидетельствует о том, насколько быстро растут ветроэнергетические мощности в Великобритании.

---

Сколько ветряков в Великобритании?

В Великобритании насчитывается более 8800 береговых ветряных турбин и 2300 морских турбин. Перейдите на RenewableUK для получения последней статистики. В целом они производят достаточно энергии, чтобы удовлетворить годовой спрос на электроэнергию около 18 миллионов домов.