На сколько турбина увеличивает мощность двигателя?

На сколько турбина увеличивает мощность двигателя?

Главное меню

Судовые двигатели

Механический и газотурбинный наддув по-разному влияют на мощность и к. п. д. двигателя. Однако интерес представляет также влияние наддува на к. п. д. по сравнению с двигателем без наддува.

Так как среднее давление трения возрастает заметно медлен­нее, чем среднее эффективное давление, то механический к. п. д. при повышении среднего эффективного давления за счет наддува увеличивается. Поэтому, как правило, различие в удельном рас­ходе топлива между двигателями без наддува и двигателями с механическим наддувом невелико, если речь идет о сравнительно высоких значениях среднего эффективного давления. Только при низких р _е (и высоких частотах вращения) потери мощности на привод механического нагнетателя вызывают увеличение удель­ного расхода топлива по сравнению с двигателем без наддува.

Поскольку у двигателя с турбонаддувом отпадает необхо­димость затраты мощности на привод компрессора, то его удель­ный расход топлива ниже, чем у двигателя без наддува. Если сравнивать двигатели равной максимальной мощности (меньшее число цилиндров у двигателя с наддувом), то лучшая топливная экономичность имеет место у двигателя с наддувом во всем диа­пазоне нагрузок (рис. 7.7 и 7.8).

Благоприятное влияние турбонаддува на к. п. д. дизелей объясняется в основном следующим.

1. С возрастанием среднего эффективного давления улуч­шается механический к. п. д.

2. Применение наддува позволяет обеспечивать высокий коэф­фициент избытка воздуха для сгорания при одновременно высо­ком среднем эффективном давлении. С увеличением избытка воздуха для сгорания улучшается индикаторный к. п. д..

3. Применение охлаждения наддувочного воздуха уменьшает потери теплоты и обусловливает тем самым снижение удельного расхода топлива.

4. У четырехтактных двигателей добавляется еще выигрыш мощности за счет или положительной, или меньшей, чем у дви­гателей без наддува, отрицательной петли газообмена (р _{3 2} ); этот выигрыш мощности при заданном давлении наддува будет тем больше, чем выше к. п. д. турбокомпрессора и чем выше тем­пература выпускных газов. Правда, при этом увеличение из­бытка воздуха для сгорания, указанное в пункте 2, будет несколько препятствовать повышению температуры выпускных газов.

При оптимальном использовании названных возможностей на четырехтактных дизелях можно достичь эффективных к. п. д., равных 45%, что соответствует удельному расходу топлива 190 г/(кВт•ч) [140 г/(л. с • ч)] [7.7; 7.8]. Разумеется, для получе­ния хорошего удельного расхода топлива необходимо выбрать высокую степень повышения давления p _z /p _c .

На рис. 7.9 [7.8] показано изменение важнейших эксплуата­ционных параметров в зависимости от среднего эффективного давления; на рис. 7.10 представлено изменение различных к. п. д. Опытный двигатель фирмы MAN типа K6V30/45 имел 6 цилин­дров при рядной компоновке (диаметр цилиндра 300 мм, ход поршня 450 мм) и работал при частоте вращения 400 об/мин (средняя скорость поршня с _m = 6 м/с).

При газовой связи турбокомпрессора с двигателем степень расширения газов в турбине определяется давлением наддува, температурой выпускных газов на входе в турбину и к. п. д. тур­бокомпрессора. Так как эта степень расширения мала по сравне­нию с имеющейся в двигателе, то выпускные газы за турбиной имеют все еще относительно высокую температуру. При увели­чении степени расширения можно (за счет увеличения работы выталкивания) получить большую энергию от выпускных газов, вследствие чего мощность, развиваемая турбиной, становится больше, чем мощность, потребляемая компрессором; избыток мощности может быть использован для повышения эффективной мощности двигателя. Чтобы сохранить приспособляемость сво­бодного турбокомпрессора к переменным условиям эксплуатации, целесообразно у четырехтактных двигателей воспринимать избы­точную мощность от энергии выпускных газов в особой ступени турбины, отдающей свою мощность через передачу коленчатому валу двигателя. Схема такого комбинированного способа, вклю­чающая силовую турбину 1 и расширительную турбину 2 на одном валу с компрессором, показана на рис. 7.11.

На подобной установке, у которой, правда, силовая турбина не имела кинематической связи с двигателем, а тормозилась компрессором (воздух из которого через регулируемый дроссель выпускался в атмосферу, т. е. не использовался), фирмой MAN проводились испытания с опытным двигателем KV30/45 [7.9]. Рассчитанная из торможения мощность силовой турбины добавлялась с учетом достижимого к. п. д. передачи к эффектив­ной мощности двигателя. Таким образом, исходя из величины к. п. д. двигателя со свободным турбокомпрессором, улучшенной до 45,6% [g _e — 136,5 г/(л. с. ч), Н _u = 10 150 ккал/кг], был рассчи­тан оптимальный к. п. д. —46,5%, т. е. достигнутое повышение к. п. д. составило около 2% (рис. 7.12).

Практической реализации таких к. п. д., которые до настоя­щего времени, насколько известно, не были достигнуты хотя бы экспериментально, мешает необходимость слишком больших за­трат. В связи с необходимостью обеспечения большого избытка воздуха для сгорания ? не используется высокое давление над­дува, так как при высоком максимальном давлении сгорания р _z требуется утяжеление двигателя и ограничение мощности. Если на среднеоборотных четырехтактных дизелях достигаются сред­ние эффективные давления около 20 бар при максимальных дав­лениях сгорания 120 бар, т. е. при отношении р _z /р _е ? 6, то это отношение у названного выше опытного двигателя составляло 120/15 = 8; 15 бар вместо 20 бар среднего эффективного давле­ния означают потери мощности, равные 25%. К этому добав­ляется еще и то, что для обеспечения оптимального к. п. д. сред­няя скорость поршня не должна быть слишком высокой в связи с механическими потерями на трение. Упомянутый опытный дви­гатель имел среднюю скорость поршня лишь 6 м/с, что также предопределяет на 25% меньшую мощность по сравнению с сов­ременной аналогичной установкой, так как в настоящее время значения средней скорости поршня 8 м/с и выше являются обыч­ными для среднеоборотных двигателей.

По указанным выше причинам на существующих дизелях еще не достигнуты значения к. п. д., равные 45%, однако возмож­ности дальнейшего повышения этого параметра были исследованы на базе специальных расчетов [7.9].

В основу расчетов была положена р — V -диаграмма опытного двигателя при тех же параметрах наддувочного воздуха и при равном количестве подводимого топлива. В связи с этим можно было ограничиться расчетом процесса газообмена и балансов мощностей лопаточных машин. Так как дополнитель­ная силовая турбина вследствие более высокого подпора выпускных газов за двигателем обусловливает увеличение количества остаточных газов в цилиндре и вместе с тем снижение мощности, то расчеты были проведены для схем, показанных на рис. 7.13 и 7.14 и устраняющих отрицательное влияние увеличения коли­чества остаточных газов в цилиндре.

На схеме (рис. 7.13) показан комбинированный двигатель с силовой турбиной и двумя выпускными клапанами, управляе­мыми независимо друг от друга. Если управление клапанов осу­ществляется в соответствии с диаграммой газораспределения, изображенной на рис. 7.15, то клапан б действует как продувоч­ный. Основная часть газов поступает через клапан в под высо­ким давлением сначала в силовую турбину 1 и затем в турбину 2, связанную с компрессором. Через клапан б в конце хода выпуска вытекают остаточные газы (т. е. лишь малая часть заряда), вы­талкиваемые к турбине 2 за счет перепада давления при про­дувке.

Как показали расчеты, при этой схеме может быть достигнуто повышение к. п. д. на 4,7%. Если исходить из к. п. д., равного 45% у опытного двигателя, то это означает, что для схемы с си­ловой турбиной и продувочным клапаном можно достигнуть к. п. д., несколько превышающий 47% (произведение 45 на 1,047).

Если клапаны установки (см. рис. 7.13) управлялись бы в со­ответствии с диаграммой газораспределения, показанной на рис. 7.16 (кривые 2), то через клапан в протекала бы к турбине 1 только малая часть выпускных газов под высоким давлением (разделение предварительного выпуска), а основная часть газов вытекала бы через клапан б под более низким давлением в тур­бину 2.

Необходимо учитывать, что при этом способе результат в зна­чительной степени зависит от выбранного время- или угла-се­чения клапанов. Двигатель имеет два впускных и два выпускных клапана, которые при обычном способе наддува по очереди совместно открываются и закрываются. Так как из-за ограничен­ности места в крышке цилиндра может быть размещен только один маленький дополнительный клапан, то при расчете предпо­лагалось, что этот добавочный клапан работает как клапан пред­варения выпуска в, а оба больших выпускных клапана — как клапаны, через которые осуществляется выталкивание. В связи с этим получается время-сечение, соответствующее кривым 2 па рис. 7.16, которое, несмотря на большую суммарную площадь проходного сечения клапанов, намного меньше, чем время – се­чение клапанов при обычной схеме наддува, соответствующее кривой 1 , так как вследствие измененных фаз газораспределения и малой продолжительности открытия клапанов большая часть время-сечения теряется. Расчетное значение улучшения к. п. д. составляло при этом 3,7%. Другие схемы подключения клапанов с другими фазами газораспределения были еще менее удачными.

Если согласно рис. 7.14 для предварения выпуска преду­смотреть специальные окна в цилиндровой втулке, а оба вы­пускных клапана (а и б), предназначенные для выпуска основной массы газов, оставить в крышке цилиндра, то изменение про­ходных сечений клапанов будет соответствовать кривым 3 на рис. 7.16 и при этом будет достигаться значительно большее время-сечение, чем по кривым 2. В этом случае рассчитанное улучшение к. п. д. составляло 6,7%, что при исходном значе­нии 45% давало общий к. п. д. около 48%.

Эти расчеты показывают, что хотя и не невозможно, но сложно и дорого еще больше повысить уже сам по себе высокий к. п. д. дизеля. Говоря об абсолютной величине этого показателя, сле­дует также отметить, что к. п. д. дизеля при прочих равных усло­виях хотя и не намного, но все же увеличивается с ростом диа­метра цилиндра, и что V -образные двигатели вследствие лучшего соотношения числа цилиндров и числа коренных подшипников имеют несколько меньшие потери на трение. Значения к. п. д. ? 43% уже достигнуты на среднеоборотных двигателях больших базовых размеров цилиндров при обычных средних скоростях поршней и средних эффективных давлениях. Такого же порядка наиболее высокие значения к. п. д. и у мало­оборотных двухтактных двигателей с наддувом.

Описание и принцип работы турбонаддува двигателя

Среди всех возможных вариантов наддува двигателя внутреннего сгорания наибольшее распространение получил турбонаддув, в котором воздух подается в цилиндры при помощи специального устройства — турбокомпрессора (турбины). Вращение турбины осуществляют отработавшие газы, что позволяет существенно увеличить мощность двигателя без увеличения частоты оборотов последнего. Помимо этого, турбонаддув позволяет получать большие значения крутящего момента при небольшом расходе топлива. В сравнении с классическими конструкциями при аналогичной мощности турбированный двигатель имеет более компактные габаритные размеры.

Устройство системы турбонаддува

На практике турбонаддув применяется как на моторах, использующих дизельное топливо, так и на бензиновых. Однако наиболее часто эта система встречается именно на дизельном двигателе, поскольку для них характерна высокая степень сжатия, меньшая температура выхлопа и низкие обороты коленчатого вала. Более высокая степень сжатия обеспечивает повышение мощности турбированного двигателя и увеличивает его КПД.

В бензиновых моторах температура отработавших газов выше, что может спровоцировать эффект детонации, приводящий к быстрому износу поршневой группы. Для предотвращения этого явления необходимо использовать бензин с более высоким октановым числом, что не всегда является экономически выгодным.

Принцип работы турбины

Система турбонаддува состоит из следующих элементов:

• Воздухозаборник;
• Воздушный фильтр;
• Перепускной клапан — регулирует подачу отработавших газов;
• Дроссельная заслонка — регулирует подачу воздуха на впуске;
• Турбокомпрессор — повышает давление воздуха во впускной системе. Состоит из турбинного и компрессорного колес;
• Интеркулер — охлаждает воздух, способствуя лучшему наполнению цилиндров и снижению вероятности детонации;
• Датчики давления — фиксирует давление наддува в системе;
• Впускной коллектор — распределяет воздух по цилиндрам;
• Соединительные патрубки — необходимы для крепления элементов системы между собой.

Принцип работы турбонаддува

Принцип работы системы турбонаддува заключается в следующем:

• Отработавшие газы двигателя, проходя через турбокомпрессор, раскручивают турбинное колесо.
• Вращение турбинного колеса передается компрессорному, поскольку они закреплены на одном валу.
• Компрессор сжимает воздух, поступающий из воздухозаборника, и направляет его в интеркулер.
• В интеркулере воздух охлаждается и поступает на впуск в цилиндры двигателя.

В турбокомпрессоре предусматривается возможность регулировки давления выхлопных газов на лопасти турбины с целью не допустить превышение давления наддува в системе. Это осуществляется с помощью перепускного клапана, который приводится в движение пневмо- или электроприводом. В свою очередь, управление приводом осуществляется электронным блоком управления, который считывает информацию с датчика давления.

Особенности эксплуатации турбированных двигателей

На режимах разгона автомобиля в силу инерционности системы возникает явление, получившее название «турбояма». Сущность явления заключается в следующем:

• Автомобиль движется с небольшой постоянной скоростью.
• Турбина вращается в соответствующем режиме.
• При резком нажатии на педаль ускорения в цилиндры двигателя подается больше топлива.
• После его сгорания образуются отработавшие газы, которые с большей силой воздействуют на турбину и увеличивают мощность двигателя. Однако происходит это с некоторой временной задержкой.

Таким образом, между моментом нажатия на педаль и фактическим ускорением автомобиля присутствует некоторая временная задержка — «турбояма». Также данное явление проявляется в виде недостатка крутящего момента на малых оборотах двигателя.

Виды систем турбонаддува

Производители разработали различные способы избавления от «турбоямы»:

• Турбина с изменяемой геометрией. Конструкция предусматривает изменение сечения входного канала. За счет этого выполняется регулирование потока отработавших газов.
• Два турбокомпрессора, установленных последовательно (Twin Turbo). На каждый режим работы (обороты двигателя) предусматривается свой компрессор.
• Два турбокомпрессора, установленных параллельно (Bi Turbo). Схема разбиения на две турбины снижает инерцию системы, и турбояма становится не так ощутима.
• Комбинированный наддув. Устройство предусматривает и механический, и турбонаддув. Первый включается при низких оборотах, второй при высоких.

Что такое турботаймер и для чего он необходим

Другой стороной инерционности системы с турбокомпрессором является необходимость снижать обороты постепенно. Нельзя резко выключать зажигание после того, как двигатель работал на высоких оборотах. Это обусловлено тем, что подшипники будут продолжать вращение, а поскольку масло не будет подаваться в систему — возникнет повышенное трение. Оно, в свою очередь, спровоцирует быстрый износ вала турбины.

Для решения этой проблемы применяется турботаймер. Это устройство устанавливается на приборной панели и подключается в цепь зажигания. После выключения зажигания ключом система запускает таймер, который глушит двигатель спустя некоторое время, давая возможность турбине снизить обороты до приемлемых значений.

Достоинства и недостатки системы турбонаддува

Подводя итоги, можно выделить плюсы и минусы использования на моторе турбонаддува. В числе достоинств:

• увеличение мощности двигателя;
• повышение КПД двигателя;
• снижение расхода топлива.

К минусам можно отнести:

• низкий крутящий момент на малых оборотах двигателя;
• более высокая стоимость;
• более сложное обслуживание и эксплуатация.

Основные факторы влияния турбины на расход топлива

Сложно найти водителя, который бы не мечтал о мощном двигателе. Рев мотора и свист колес – это действительно привлекает любого автомобилиста, независимо от пола или возраста. Но опытные водители настороженно относятся к повышаемой мощности, поскольку у нее не всегда наблюдаются только положительные последствия.

Благодаря турбинным установкам, современные двигатели можно сделать сильнее и мощнее. Они будут быстрее разгоняться, на машине доступно перевозить внушительные грузы, использовать ее, как тягач и т.д. Но существует ряд других вопросов, которые вызывают подозрения в необходимости такого технического элемента на авто. Следует разобраться в них подробнее.

Распространенные заблуждения о турбинах

Далеко не все водители на самом деле понимают, что такое турбины, для чего они разрабатывались, и каким образом повлияли на современную сферу автомобилестроения. Чаще всего автомобилистами принимаются за правду следующие заблуждения:

1. Турбина увеличивает расход топлива. Это утверждение в корне не верное. Поскольку в поршень подается воздух и топливо под сильным давлением, и работает он намного быстрее, мощность автомобиля, равно как скоростные характеристики, повышаются за счет увеличенного КПД силового агрегата. Что касается расхода бензина, то он остается прежним, а то и вовсе уменьшается.
2. Есть возможность установить агрегат на любой двигатель. Технически это действительно возможно. Однако не забывайте, что каждый силовой агрегат рассчитан на определенные темпы работы. И если увеличивать давление при подаче жидкости, но оставлять остальные характеристики старыми, то это сломает силовой агрегат достаточно быстро.
3. Турбина запускается на высоких оборотах. На самом деле она начинает работать вместе с силовым агрегатом. На автомобилях, где она предусмотрена, запуск может осуществляться либо автоматически, либо от кнопки с панели управления.

Таким образом, сама по себе турбина не оказывает серьезного влияния на расход топлива. Этот показатель зависит от других характеристик. На нем в первую очередь сказывается модель двигателя, которая используется производителем. Второй немаловажный показатель – манера вождения. Если ездить аккуратно, стараться экономичнее использовать топливо, то никаких проблем с высоким расходом наблюдаться не будет.

На AUTO.RIA всегда можно посмотреть стоимость бензина и дизеля, в зависимости от того, на каком топливе работает ваш автомобиль. Также здесь есть расписание работы АЗС, наличие отдельных марок и другая полезная для водителей информация.

Какие преимущества есть у турбокомпрессора?

В последнее время установка турбокомпрессора запущена в активную практику. Много современных автомобилей выпускается с соответствующим агрегатом. Следует разобраться, какими именно преимуществами характеризуется турбина, и почему она стала настолько популярной:

• Увеличивается мощность силового агрегата, но при этом вес автомобиля, равно как двигателя, остаются прежними. Компрессор устанавливается отдельно, выполняется из легких металлов, и если поднимает вес машины, то минимально. Но в вопросах мощности он в разы улучшает показатель;
• Крутящий момент передается лучшим образом, независимо от эксплуатационных условий. Поскольку мощность в данном случае зависит от двигателя и компрессора, машины мягко преодолевают препятствия и неровности на дорогах. В особенности важным этот показатель оказался для грузовиков, поскольку именно им приходится часто преодолевать сложные участки пути;
• Силовой агрегат будет одинаково работать, независимо от высоты, на которую забрался водитель. Именно поэтому большинство современных внедорожников комплектуются данным устройством;
• Уменьшение расхода топлива. Компрессор улучшает процесс сгорания топлива в поршнях, что положительно сказывается на экономичности эксплуатации. Помимо экономичности турбина положительно сказывается на уровне токсичности отработанных газов. И зачастую двигатели с данными системами проходят все европейские стандарты (в Украине это обеспечивает доступную и быструю растаможку, если ввозите авто из-за границы).

Сами водители замечают, что атмосферные двигатели работают громче, если сравнивать их с турбинными аналогами. Это обусловлено стабильностью передачи горючей смеси – она всегда поступает равномерно, независимо от внешних условий.

Таким образом, если говорить о сравнении двух одинаковых марок и моделей, но в разной комплектации (одно авто оснащается атмосферным двигателем, другое – турбинным), то второй вариант будет экономичнее. Что касается сравнения разных автомобилей, то здесь необходимо принимать во внимание множество других факторов, в особенности – технические характеристики самого мотора.

Ключевые слова: стоимость бензина,дизель,турбина,расход топлива,от чего зависит,мощность,заблуждения о турбинах,высокие обороты,двигатель