Для того, щоб збільшити потужність і крутний момент двигуна, людство придумало масу пристроїв і агрегатів. Найпростіший метод – піти на збільшення обсягу камери згоряння. Чим більше палива потрапить в циліндр, тим більше буде вироблено корисної роботи. Але тут виникають проблеми. По-перше, розміри такого мотора можуть бути безмежними, а по-друге, експлуатація такого ДВС зважаючи високої витрати палива буде нерентабельною. Тому останнім часом все частіше автовиробники оснащують свої машини турбіною. Що це за елемент. і в чому полягає принцип роботи турбіни? Дізнаємося подробиці в нашій статті.
Характеристика
Турбіна – це елемент впускний системи двигуна, який служить для збільшення тиску повітря за рахунок застосування енергії відпрацьованих газів. Завдяки її роботі, зростає маса повітря в камері згоряння.
Це дозволяє прискорити такти роботи двигуна та збільшити його крутний момент. Також відзначимо, що перші турбіни мали механічний привід. Принцип роботи такої турбіни укладався в перетворенні енергії від колінчастого вала. З останнім елемент поєднувався шляхом пасової передачі. Але незабаром такі агрегати перестали використовуватися. Зараз всі виробники застосовують газову турбіну, принцип роботи якої дозволяє збільшити ККД двигуна на 80 відсотків замість 30.
Де використовується
В основному, такий агрегат можна зустріти на сучасних автомобілях. Але використовується даний нагнітач не на всіх ДВС. Стримуючим фактором застосування турбіни на бензинових моторах є висока ступінь детонації. Вона пов’язана зі збільшенням частоти обертання ДВЗ і величезною температурою вихлопних газів (до тисячі градусів). Зважаючи на це часто використовується турбіна на дизельному двигуні. Принцип роботи такого ДВС дещо інший. Тут менший ризик детонації, а температура газів не перевищує 600 градусів. Особливо часто компресори зустрічаються на комерційному транспорті. Неможливо уявити сучасний автобус чи магістральний тягач, не оснащений турбіною. Якщо говорити про марки, то турбіна встановлюється на наступні авто:
- «Фольксваген».
- «Мерседес».
- «Вольво».
- «Мазда».
- «Ауді».
- «Рено».
- «Тойота».
Є й інші сфери, де застосовується такий елемент. Наприклад, це електростанції і ДВС кораблів. Але тут використовується вже парова турбіна, принцип роботи якої ми розглянемо трохи пізніше.
Недоліки
Чому цей елемент присутній не на всіх двигунах внутрішнього згоряння? В першу чергу, застосування турбіни збільшує собівартість виробництва авто. Крім самої равлики, потрібно ще ряд інших елементів.
До того ж, для роботи з турбіною двигуну потрібна інша більш міцна поршнева система і блок. Це теж тягне за собою додаткові витрати. Також серед недоліків можна відзначити так звану турбояму (коли двигун не може набрати обертів за потрібний час). Причинами цього явища є інерційність компресора.
Конструкція
Отже, давайте розглянемо пристрій і принцип роботи турбіни. А полягає цей елемент з трьох основних складових:
- Центрального корпусу.
- Відцентрового компресора.
- Равлики.
У конструкцію останньої входить турбінне та компресорне колеса, вал ротора, підшипники ковзання і ущільнювальні кільця. Все це укладена в міцний металевий термостійкий корпус. Оскільки принцип роботи турбіни двигуна заснований на використанні енергії вихлопних газів, гаряча частина равлика може розжарюватися до тисячі і більше градусів Цельсія.
Допоміжні елементи
Оскільки турбіна входить до складу впускної системи, її робота неможлива без використання повітряного фільтра, дросельної заслінки, а також інтеркулера.
Останній покликаний охолодити кисень, який нагнітається в камеру під тиском. Чим холодніше повітря в интеркулере, тим краще суміш згорає в циліндрах. Також у конструкції не обходиться без сполучних і масляних шлангів.
Як працює
Варто зазначити, що принцип роботи турбіни на бензиновому двигуні такий же, як і на дизельному. Під час роботи ДВЗ виробляються вихлопні гази. Вони надходять корпус (гарячу частину равлики), де рухаються по лопатках турбінного колеса. Останнім розкручується до неймовірних швидкостей – 100 і більше тисяч обертів у хвилину. Оскільки турбінне колесо жорстко з’єднане з валом, крутний момент передається на другу холодну частину турбіни. Та, у свою чергу, починає захоплювати кисень з атмосфери. Він проникає всередину після того, як пройде через фільтр. Далі повітря під тиском потрапляє у впускний колектор, де змішується з паливом і проникає в камеру згоряння. В якості матеріалів для корпуса турбіни використовуються жароміцні марки сталі та железоникелевый сплав.
Продуктивність компресора залежить від її форми і габаритних розмірів. Чим більше діаметр, тим більше повітря засмоктується у впускний колектор. Але не можна постійно збільшувати розміри компресора. Це може призвести до турбозадержке. Мала турбіна розкручується значно швидше до номінальної швидкості. Але на піку має меншу продуктивність. Тому розміри і форма елемента підбираються строго індивідуально для кожного ДВС. Не можна встановити агрегат від бензинового авто на дизельний, і навпаки. Хоч і має однаковий принцип роботи турбіна, діяти вона буде інакше на різних авто.
Важливий момент: для регулювання тиску наддуву в конструкції передбачений спеціальний перепускний клапан. Він має пневматичний привід, а управляється ЕБУ двигуна.
Система змащення
Це невід’ємна складова будь турбіни. Принцип роботи системи змащення простий. Масло подається між підшипником і корпусом компресора через безліч каналів під тиском. Але не варто думати, що ця система потрібна тільки для змащування. Також вона охолоджує нагріті деталі компресора. На деяких двигунах турбіна пов’язана із загальною системою охолодження. Завдяки цьому, досягається краще охолодження, але така конструкція значно складніше і дорожче у виробництві.
Щоб позбутися турбоями, виробники постійно вдосконалюють конструкцію турбіни на дизелі. Принцип роботи її залишається колишнім, але змінюються наступні моменти:
- Маса компресора. Турбіна одночасно виготовляється з легких і міцних матеріалів (наприклад, кераміки).
- Конструкція підшипників. Чим менше втрати на тертя, тим вище продуктивність турбіни. Колесо легше розкручується до номінальних значень.
Типи турбін
На даний момент існує кілька популярних типів компресорів:
- Роздільний. Він має два сопла для кожної пари циліндрів і два входи для відпрацьованих газів. Перше сопло призначене для швидкого реагування, другий служить для максимальної продуктивності. У конструкції є розділені випускні канали. Це зроблено для запобігання перекриття каналів при випуску вихлопних газів.
- Компресор з перемінним соплом. Також він відомий, як турбіна із змінною геометрією. Застосовується на моторах з маркуванням TDI від «Фольксваген». Тут у конструкції є 9 рухомих лопатей. Вони можуть регулювати потік вихлопних газів, що йдуть до турбіни. Кут нахилу лопатей – регульований, що дозволяє узгодити тиск нагнітається повітря і швидкість руху газів з оборотами ДВС.
Для більшої продуктивності на автомобіль може бути встановлено два компресора. Такі системи отримали маркування «Твін-турбо».
Встановлюються дані механізми послідовно. При цьому перша турбіна працює на низьких оборотах, а друга на високих. На V-подібних двигунах нагнітачі встановлюються паралельно (на кожен ряд з однієї турбіни). Як показує практика, встановлення двох невеликих компресорів значно ефективніше, ніж застосування одного, але великого.
Парова турбіна
Принцип її роботи трохи інший. Пара, що утворюється в казані, під тиском потрапляє на крильчатку турбіни. Остання здійснює обертів, тим самим, виробляючи механічну енергію. Зазвичай така турбіна з’єднана з генератором і застосовується на електростанціях. Завдяки механічної енергії, генератор виробляє електрику. Потужність таких агрегатів може досягати 1000 МВт.
Однак даний показник істотно залежить від перепаду тиску пари на вході і виході. Також подібні турбіни застосовуються для привода живильного насоса, на кораблях і суднах з ядерною установкою. Що стосується військових кораблів, тут застосовується газова турбіна. Принцип її роботи полягає в наступному. Газ надходить через сопловой апарат компресора в область низького тиску. При цьому він розширюється і прискорюється. Потім потік газу рухає лопатки турбіни. Останні передають зусилля на вал через диски. Таким чином створюється корисний крутний момент.
Висновок
Отже, ми з’ясували принцип роботи дизельної турбіни, а також бензинової і паровий. Як бачите, дані елементи встановлюються з єдиною метою – виробити корисний крутний момент. У випадку з автомобілями він витрачається на подачу повітря під тиском у впуск. А на електростанціях турбіна необхідна для роботи генератора, що виробляє струм.
