О турбокомпрессорах

История турбонаддува

Отцы-изобретатели двигателя внутреннего сгорания Николаус Август Отто и Рудольф Дизель с момента испытания своих первых детищ задавались вопросом о том, как можно сделать ДВС максимально мощным. Самым привлекательным считалось воплощение в реальность возможности снабжать цилиндры воздушными массами без дополнительной подпитки энергией. Использование выхлопных газов было самым очевидным методом для подачи воздуха. Но этому методу было суждено реализоваться и встать на промышленную основу через много лет.

Развитие турбины – в воздухе и на земле

Нагнетать воздух в двигатель с помощью выхлопных газов в экспериментальном порядке первым смог инженер из Швейцарии А. Бюхи. Эксперимент, показавший значительный прирост мощности двигателя, был успешно проведен им в 1905 г. Через 6 лет А. Бюхи официально зарегистрировал патент на турбонаддув как принцип работы приспособления для нагнетания воздуха. Тогда, в 1911 г. и берет свои истоки история турбонаддува.

Турбины в воздухе

Интенсивное развитие самолетостроения в начале XX века и широта возможностей для внедрения инновационных технологий, которые давала авиационная отрасль, предоставили уникальную возможность совершенствовать метод использования выхлопных газов для нагнетания воздуха в цилиндры и испытывать его на практике.

Компания General Electric стала передовым производителем турбокомпрессорных приспособлений, способствовав в 1920 г. запуску в воздух самолета типа биплан под названием LePere. Эта машина была оснащена турбинным узлом от данной компании и сразу установила мировой рекорд по высоте полета. Биплан поднялся на высоту 10 092 м.
Во время Первой мировой войны турбонаддувный метод не пользовался широкой популярностью. Самый известный факт применения турбокомпрессора в конструкции самолета в эти годы – запуск в производство французских истребителей с двигателем Renault, в который инженером О. Рато была интегрирована турбина.
30- е и 40-е годы XX столетия ознаменованы всплеском интереса к использованию турбокомпрессорных устройств в самолетостроении. Для увеличения скоростных и мощностных характеристик бомбардировщиков и истребителей их тотально оснащали турбонаддувными устройствами.
Самой известной компанией, специализирующейся на производстве газотурбинных двигателей, считается Garrett Corporation, основанная в 1936 г. Силами этой компании была осуществлена установка в конструкцию дополнительного радиаторного устройства – интеркулера.

Благодаря эпохальному взлету LePere впоследствии турбонаддувные агрегаты стали устанавливать не только на самолеты. Ими оснащали корабельные двигатели и двигатели железнодорожных локомотивов.

Турбонаддув в автомобилестроении

В сфере производства автотранспортных средств первыми решились на интеграцию турбин в конструкцию двигателя в 1938 г. на заводе Swiss Machine Works Sauer. Именно здесь изготовили первый турбокомпрессорный агрегат для автомашины, и он предназначался для грузовиков.

Среди пионеров в легковом автопроме успели попасть в историю производители машин марок Oldsmobile Jetfire и Chevrolet Corvair Monza, выведенных в продажу в начале 60-х годов XX столетия. Уже через 10 лет турбина приобретает широкую популярность у конструкторов легковых автомобилей из-за взлета цен на топливо. Необходимость экономии и соблюдения экологических норм стали актуальными, как никогда.

Началом новой эры для турбин стал 1977 г., когда на конвейер поставили легковую модель Saab 99 Turbo. Вслед за выпуском этой инновационной модели с турбокомпрессорным узлом в 1978 г. свое слово сказали на заводах Mercedes-Benz, выпустив в широкую продажу турбодизельную Mercedes-Benz 300 SD.

Сегодня турбированные двигатели незаменимы для моделей компактной конфигурации. Когда под капотом мало места, на помощь приходит турбина. Современные ДВС, оснащенные турбиной, безопасны и эффективны. А ремонт турбин стал простым и доступным для каждого владельца автомобиля.

Интересные факты. ТОП 5

Исторически, мощность двигателя автомобиля зависела от количества и размеров цилиндров — сегодня это уже в прошлом! Электронное управление двигателем, турбокомпрессоры или компрессоры несут ответственность за общую производительность. Турбокомпрессор играет особенно важную роль — швейцарское изобретение, появившееся в 1925 году, турбокомпрессор использовался для значительного увеличения мощности двигателя. Что отличает этот компонент, почему он становится все более важным и каковы преимущества использования электрохимической обработки? — Пять интересных фактов о турбокомпрессорах:

1. Неизменный основной принцип

Основной принцип почти 100-летнего изобретения остается тем же самым сегодня. Поток выхлопных газов приводит в движение колесо турбины, которое соединено со вторым колесом через вал. Это колесо сжимает всасываемый свежий воздух и вдавливает его в камеры сгорания. Здесь применяется следующий простой расчет: чем больше воздуха попадает в камеру сгорания, тем больше молекул кислорода соединяется с молекулами углеводорода во время сгорания, и именно это обеспечивает большую мощность.

2. Почти 300 000 оборотов

В конце концов, цель турбокомпрессора заключается в достижении оптимального эффекта путем создания максимально возможного давления воздуха. Это означает, что агрегат достигает чрезвычайно высоких рабочих характеристик: в современных двигателях колесо компрессора совершает 290 000 оборотов в минуту. Компонент также подвергается воздействию чрезвычайно высоких температур — вот почему модели турбокомпрессоров также имеют соединения или системы для водяного охлаждения наддувочного воздуха. Это означает, что четыре различных вещества объединяются в этом компоненте: горячие выхлопные газы, холодный наддувочный воздух, охлаждающая вода и масло (которые, кстати, не могут стать слишком горячими).

3. «Электрохимические преимущества»

Учитывая эти условия, производство турбокомпрессоров определенно можно отнести к одной из самых сложных задач в автомобильном производстве. Это касается как сложного корпуса, так и вала турбины. Эти компоненты изготовлены из высокоэффективных материалов, которые могут легко выдерживать температуры до 1000 градусов по Цельсию (1832 градуса по Фаренгейту), таких как жаропрочные литые стали или сплавы Inconel. Их механическая обработка часто выполняется в рамках обширной технологической цепочки от предварительного фрезерования до полного удаления заусенцев. Электрохимические процессы без микросхем обеспечивают большие преимущества в этом контексте (подробнее об этом здесь). Например, они позволяют сбалансировать вал турбокомпрессора за один повторный шаг. Термическое повреждение материала отсутствует, а износ инструмента минимален даже для самых твердых материалов — это основные преимущества по сравнению с традиционными методами обработки. В конце концов, inconel и подобные материалы несут ответственность за более короткий срок службы инструмента.

4. Все более важно

Тот факт, что производство турбокомпрессоров становится все более требовательным, во многом связан с основной тенденцией к уменьшению размеров в автомобильной промышленности: объем многих двигателей внутреннего сгорания сокращается, а сжатие турбокомпрессора обеспечивает постоянную или даже повышающуюся производительность. Интересно, что двигатели с уменьшенными размерами даже тяжелее, чем аналогичные двигатели без конструкции с уменьшенными размерами, из-за дополнительного веса турбокомпрессора и промежуточного охладителя. Чтобы уменьшить общий вес, разработчики переходят к уменьшению толщины стенки корпуса, что предъявляет больше требований к традиционной обработке.

5. Будущие вызовы

Турбонадув остается ключевой технологией для разработки экономичных и эффективных двигателей. Однако различные технологические тенденции ставят новые задачи. Например, системы, которые являются частью выхлопных газов, охлаждаются, смешиваются с наддувочным воздухом и рециркулируют в двигатель, чаще используются. Эта рециркуляция отработавших газов (EGR) является одним из основных решений, применяемых для снижения выбросов дизельных двигателей. В результате турбокомпрессор должен вдавливать больше воздуха в камеру сгорания, чтобы снабдить ее достаточным количеством кислорода. Многие производители рассчитывают на двухступенчатую зарядку, в которой задействованы два разных турбокомпрессора.

Интересные факты. ТОП 10

В 1905 году, всего через 20 лет после того, как Готтлиб Даймлер изобрел современный бензиновый двигатель, Альфред Бучи изобрел турбодвигатель.
Хотя с 1920-х годов были дизельные поезда, корабли и электростанции, первый серийный автомобиль с турбонаддувом появился только в 1978 году, с Mercedes 300SD.
Двигатели BMW Formula 1 с начала 1980-х годов производили 1500 л.с. с тем же блоком, что и у BMW 318, но с турбонаддувом и увеличением до 5,5 бар (80 фунтов на квадратный дюйм)!
Турбо-технологии, которые многие считают современными, такие как роликовые подшипники, насадки с изменяемой геометрией и турбины с отдельным импульсом, были изобретены более полувека назад.
В 1952 году турбодизельный двигатель увеличил пробег Indy на 500-100 миль по сравнению с обычными машинами, работающими на бензине, но он был поврежден остатками шин от других автомобилей, которые были засосаны во впускной канал турбокомпрессора и уничтожили его.
В 1966 году глава Ford Racing попросил у боссов денег на создание гоночного автомобиля с турбонаддувом. Инвесторы отказались, заявив, что Ford никогда не построит автомобиль с турбонаддувом, так что это была бессмысленная идея. Как неправы они были …
В 1966 году 2-литровый четырехцилиндровый двигатель Offy с турбонаддувом, выпускавшийся с 1933 года, был одним из лучших гоночных двигателей, который в начале 1970-х годов выдавал мощность более 1000 л.с.
Некоторые экстремальные тягачи работают с наддувом до 250 фунтов на кв. Дюйм (17 бар +), что в десять раз превышает уровень наддува в большинстве модифицированных автомобилей.
Oldsmobile Jetfire Turbo 1962 года был первым серийным автомобилем с турбонаддувом и в стандартной комплектации имел впрыск воды. Двигатель известен как Rover V8. К сожалению, он был ненадежен и не до работан.
Некоторые из первых серийных бензиновых двигателей с турбонаддувом были в бомбардировщиках Второй мировой войны, но поскольку металлы того времени не могли противостоять нагреву в закрытом корпусе, колесо турбины часто находилось снаружи в конце выхлопа.

Интересные факты.

«Harriet» — крупнейшая из турбин на свете, Изготовлена компанией General Electric. Стоимость проекта 1 миллиарда$.

КПД турбины составляет 61%!!! Это стало возможно благодаря инновационным материалам! Таким как керамические матричные композиты и т.д. В будущем планируется увеличить эффективность установки до 90%

Турбины позволяют добиваться высоко эффективности в энергетике.

15 фактов о турбинах

Турбокомпрессор — это механическое устройство, которое используется в качестве системы принудительного нагнетания воздуха, поступающего в двигатель. Это увеличивает мощность двигателя без увеличения его веса, что делает его такой популярной.
Ранее турбины использовался для питания автомобилей, участвующих в горных подъемах, чтобы компенсировать потери мощности на больших высотах из-за недостатка кислорода.
Примененяют от автомобиля F1 до малолитражек Tata Zest (Индия).
Похоже, на две извилистые улитки, прилегающие друг к другу (если вы можете представить большие улитки). Прикрученные к выпускному коллектору двигателя.
Корпус турбины соединен с выпускным коллектором, а компрессор соединен с впускным коллектором двигателя.Компрессор с турбиной соединены общим валом.
Турбонаддув увеличивает количество воздуха, поступающего в мотор вместе с топливом, чтобы более эффективно сжигать топливовоздушную смесь и производить максимальную мощность.
Компрессор использует энергию выхлопных газов, для подачи воздуха в двигатель.
Чем лучше содержание кислорода, тем лучше будет процесс сгорания и мощность мотора.
Турбина разгоняется до 1,50000 оборотов в минуту (об / мин), что в тридцать раз быстрее, оборотов мотора.
Турбо Лаг — Это затишье перед бурей. Чтобы турбонагнетатель работал на полную мощность, он должен вращаться с определенными оборотами, чтобы создать требуемое давление, которое невозможно при более низких оборотах двигателя, так как скорость выхлопных газов не будет достаточной для его спулинга. Таким образом, после того, как двигатель достигнет некоторого числа оборотов в минуту, турбокомпрессор начинает работать, и сразу же мы можем почувствовать увеличение мощности. Эта задержка в мощности называется турбо-лаг
Wastegate. Вентиль для отходов — это клапан, который позволяет избыточным газам обходить лопатки турбины. Это очень важно, особенно в турбонагнетателях с фиксированной геометрией, чтобы контролировать уровень наддува турбины, чтобы не допустить поломки мотора.
Интеркулер. При сжатии воздух, нагревается и расширяется. Интеркулер понижает температуру воздушной смеси, возникающий в процессе сжатия, перед тем, как усилить турбо-эффект, а также уберечь двигатель от детонации.
Недостатки. Самым серьезным недостатком двигателя с турбонаддувом является то, что звук выхлопа двигателя очень громкий. Доказательством этого факта является контраст в звуках автомобилей Формулы-2014 с их атмосферными предшественниками.
Крупнейшими производителями и поставщиками турбокомпрессоров являются турбокомпрессоры Garrett (Honeywell), Borg Warner и Mitsubishi.
В последние годы наблюдалось много достижений в области автотурбостроения , а именно:
- — Турбокомпрессор с изменяемой геометрией или известный как VGT.
- — Многоступенчатые турбокомпрессоры.
- — Турбокомпрессоры с двумя скроллами.
- — Турбокомпрессоры с электроприводом.
- — Бензиновые двигатели Hyundai Turbo
- — Hyundai недавно представила свою линейку турбо-бензиновых двигателей, мир движется с турбонаддувом.