8-900-374-94-44
Влад Клепач, | |
Такая вот небольшая с виду «улитка» — один из самых действенных способов увеличить мощность двигателя. |
Несомненно, каждый из нас хоть раз в жизни замечал на обычном с виду автомобиле шильдик «turbo». Производители, как нарочно, делают эти шильдики небольшого размера и размещают в неприметных местах так, что непосвящённый прохожий не заметит и пройдёт мимо. А понимающий человек непременно остановится и заинтересуется автомобилем. Ниже приводится рассказ о причинах такого поведения.
Автомобильные конструкторы (с момента появления на свете этой профессии) постоянно озабочены проблемой повышения мощности моторов.
Законы физики гласят, что мощность двигателя напрямую зависит от количества сжигаемого топлива за один рабочий цикл. Чем больше топлива мы сжигаем, тем больше мощность. И, скажем, захотелось нам увеличить «поголовье лошадей» под капотом — как это сделать? Тут-то нас и поджидают проблемы.
Турбокомпрессор состоит из двух «улиток» — через одну проходят отработавшие газы, а вторая «качает» воздух в цилиндры.
Дело в том, что для горения топлива необходим кислород. Так что в цилиндрах сгорает не топливо, а топливно-воздушная смесь. Мешать топливо с воздухом нужно не на глазок, а в определённом соотношении. К примеру, для бензиновых двигателей на одну часть топлива полагается 14–15 частей воздуха — в зависимости от режима работы, состава горючего и прочих факторов.
Как мы видим, воздуха требуется весьма много. Если мы увеличим подачу топлива (это не проблема), нам также придётся значительно увеличить и подачу воздуха. Обычные двигатели засасывают его самостоятельно из-за разницы давлений в цилиндре и в атмосфере.
Зависимость получается прямая — чем больше объём цилиндра, тем больше кислорода в него попадёт на каждом цикле. Так и поступали американцы, выпуская огромные двигатели с умопомрачительным расходом горючего. А есть ли способ загнать в тот же объём больше воздуха?
Выхлопные газы из двигателя вращают ротор турбины, тот, в свою очередь, приводит в движение компрессор, который нагнетает сжатый воздух в цилиндры. Перед тем как это произойдёт, воздух проходит через интеркулер и охлаждается — так можно повысить его плотность.
Есть, и впервые придумал его господин Готтлиб Вильгельм Даймлер (Gottlieb Wilhelm Daimler). Знакомая фамилия? Ещё бы, именно она используется в названии DaimlerChrysler. Так вот, этот немец весьма неплохо соображал в моторах и ещё в 1885 году придумал, как загнать в них больше воздуха. Он догадался закачивать воздух в цилиндры с помощью нагнетателя, представлявшего собой вентилятор (компрессор), который получал вращение непосредственно от вала двигателя и загонял в цилиндры сжатый воздух.
Швейцарский инженер-изобретатель Альфред Бюхи (Alfred J. Büchi) пошёл ещё дальше. Он заведовал разработкой дизельных двигателей в компании Sulzer Brothers, и ему категорически не нравилось, что моторы были большими и тяжёлыми, а мощности развивали мало. Отнимать энергию у «движка», чтобы вращать приводной компрессор, ему также не хотелось. Поэтому в 1905 году господин Бюхи запатентовал первое в мире устройство нагнетания, которое использовало в качестве движителя энергию выхлопных газов. Проще говоря, он придумал турбонаддув.
Идея умного швейцарца проста, как всё гениальное. Как ветра вращают крылья мельницы, также и отработавшие газы крутят колесо с лопатками. Разница только в том, что колесо это очень маленькое, а лопаток очень много. Колесо с лопатками называется ротором турбины и посажено на один вал с колесом компрессора. Так что условно турбонагнетатель можно разделить на две части — ротор и компрессор. Ротор получает вращение от выхлопных газов, а соединённый с ним компрессор, работая в качестве «вентилятора», нагнетает дополнительный воздух в цилиндры.
Вся эта мудрёная конструкция и называется турбокомпрессор (от латинских слов turbo — вихрь и compressio — сжатие) или турбонагнетатель.
Аналог турбонаддува — приводной нагнетатель — жёстко связан с двигателем и тратит на свою работу часть его мощности.
В турбомоторе воздух, который попадает в цилиндры, часто приходится дополнительно охлаждать — тогда его давление можно будет сделать выше, загнав в цилиндр больше кислорода. Ведь сжать холодный воздух (уже в цилиндре ДВС) легче, чем горячий.
Воздух, проходящий через турбину, нагревается от сжатия, а также от деталей турбонаддува, разогретого выхлопными газами. Подаваемый в двигатель воздух охлаждают при помощи так называемого интеркулера (промежуточный охладитель). Это радиатор, установленный на пути воздуха от компрессора к цилиндрам мотора. Проходя через него, он отдаёт своё тепло атмосфере. А холодный воздух более плотный — значит, его можно загнать в цилиндр ещё больше.
А вот так выглядит интеркулер.
Чем больше выхлопных газов попадает в турбину, тем быстрее она вращается и тем больше дополнительного воздуха поступает в цилиндры, тем выше мощность.
Эффективность этого решения по сравнению, например, с приводным нагнетателем в том, что на «самообслуживание» наддува тратится совсем немного энергии двигателя — всего 1,5%. Дело в том, что ротор турбины получает энергию от выхлопных газов не за счёт их замедления, а за счёт их охлаждения — после турбины выхлопные газы идут по-прежнему быстро, но более холодные. Кроме того, затрачиваемая на сжатие воздуха даровая энергия повышает КПД двигателя. Да и возможность снять с меньшего рабочего объёма большую мощность означает меньшие потери на трение, меньший вес двигателя (и машины в целом). Всё это делает автомобили с турбонаддувом более экономичными в сравнении с их атмосферными собратьями равной мощности. Казалось бы, вот оно, счастье. Ан нет, не всё так просто. Проблемы только начались.
У Mitsubishi Lancer Evolution интеркулер располагается в переднем бампере перед радиатором. А у Subaru Impreza WRX STI — над двигателем.
Во-первых, скорость вращения турбины может достигать 200 тысяч оборотов в минуту, во-вторых, температура раскалённых газов достигает, только попробуйте представить, 1000°C! Что всё это означает? То, что сделать турбонаддув, который сможет выдержать такие неслабые нагрузки длительное время, весьма дорого и непросто.
Выхлопные газы разогревают и выпускную систему, и турбонаддув до очень высоких температур.
По этим причинам турбонаддув получил широкое распространение только во время Второй мировой войны, да и то только в авиации. В 50-х годах американская компания Caterpillar сумела приспособить его к своим тракторам, а умельцы из Cummins сконструировали первые турбодизели для своих грузовиков. На серийных легковых машинах турбомоторы появились и того позже. Случилось это в 1962 году, когда почти одновременно увидели свет Oldsmobile Jetfire и Chevrolet Corvair Monza.
Но сложность и дороговизна конструкции — не единственные недостатки. Дело в том, что эффективность работы турбины сильно зависит от оборотов двигателя. На малых оборотах выхлопных газов немного, ротор раскрутился слабо, и компрессор почти не задувает в цилиндры дополнительный воздух. Поэтому бывает, что до трёх тысяч оборотов в минуту мотор совсем не тянет, и только потом, тысяч после четырёх-пяти, «выстреливает». Эта ложка дёгтя называется турбоямой.
Причём чем больше турбина, тем она дольше будет раскручиваться. Поэтому моторы с очень высокой удельной мощностью и турбинами высокого давления, как правило, страдают турбоямой в первую очередь. А вот у турбин, создающих низкое давление, никаких провалов тяги почти нет, но и мощность они поднимают не очень сильно.
Почти избавиться от турбоямы помогает схема с последовательным наддувом, когда на малых оборотах двигателя работает небольшой малоинерционный турбокомпрессор, увеличивая тягу на «низах», а второй, побольше, включается на высоких оборотах с ростом давления на выпуске. В прошлом веке последовательный наддув использовался на суперкаре Porsche 959, а сегодня по такой схеме устроены, например, турбодизели фирм BMW и Land Rover. В бензиновых двигателях Volkswagen роль маленького «заводилы» играет приводной нагнетатель.
На рядных двигателях зачастую используется одиночный турбокомпрессор twin-scroll (пара «улиток») с двойным рабочим аппаратом. Каждая из «улиток» наполняется выхлопными газами от разных групп цилиндров.
Но при этом обе подают газы на одну турбину, эффективно раскручивая её и на малых, и на больших оборотах
Но чаще по-прежнему встречается пара одинаковых турбокомпрессоров, параллельно обслуживающих отдельные группы цилиндров. Типичная схема для V-образных турбомоторов, где у каждого блока свой нагнетатель. Хотя двигатель V8 фирмы M GmbH, дебютировавший на автомобилях BMW X5 M и X6 M, оснащён перекрёстным выпускным коллектором, который позволяет компрессору twin-scroll получать выхлопные газы из цилиндров разных блоков, работающих в противофазе.
Турбина twin-scroll имеет двойную «улитку» турбины — одна эффективно работает на высоких оборотах двигателя, вторая — на низких
Заставить турбокомпрессор работать эффективнее во всём диапазоне оборотов, можно ещё изменяя геометрию рабочей части. В зависимости от оборотов внутри «улитки» поворачиваются специальные лопатки и варьируется форма сопла. В результате получается «супертурбина», хорошо работающая во всём диапазоне оборотов.
Идеи эти витали в воздухе не один десяток лет, но реализовать их удалось относительно недавно. Причём сначала турбины с изменяемой геометрией появились на дизельных двигателях, благо, температура газов там значительно меньше. А из бензиновых автомобилей первый примерил такую турбину Porsche 911 Turbo.
Турбина с изменяемой геометрией.
Конструкцию турбомоторов довели до ума уже давно, а в последнее время их популярность резко возросла. Причём турбокомпрессоры оказалось перспективным не только в смысле форсирования моторов, но и с точки зрения повышения экономичности и чистоты выхлопа. Особенно актуально это для дизельных двигателей. Редкий дизель сегодня не несёт приставки «турбо». Ну а установка турбины на бензиновые моторы позволяет превратить обычный с виду автомобиль в настоящую «зажигалку». Ту самую, с маленьким, едва заметным шильдиком «turbo».
Комментарии
Поделиться
Лайкнуть
Твитнуть
Отправить
© 2005–2023 ООО «Драйв», свидетельство о регистрации СМИ №ФС77-69924 16+
Полная версия сайта
Как работает турбонаддув в автомобилеДля 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
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.
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.
Министерство энергетики
20 июня 2014 г.
Пожалуйста, просмотрите его в современном браузере.От крупных ветряных электростанций до небольших турбин, питающих один дом, ветряные турбины по всему миру вырабатывают чистую электроэнергию для различных нужд.
В Соединенных Штатах ветряные турбины становятся обычным явлением. С начала века общая мощность ветроэнергетики в США увеличилась более чем в 24 раза. В настоящее время в США достаточно мощностей ветровой энергетики, чтобы генерировать достаточно электроэнергии для питания более 15 миллионов домов, что помогает проложить путь к будущему экологически чистой энергии.
Что такое ветряная турбина? Концепция использования энергии ветра для производства механической энергии насчитывает тысячелетия. Еще в 5000 году до нашей эры египтяне использовали энергию ветра для движения лодок по реке Нил. Американские колонисты полагались на ветряные мельницы для измельчения зерна, перекачки воды и рубки древесины на лесопилках.
Сегодняшние ветряные турбины — это современный эквивалент ветряной мельницы, преобразующий кинетическую энергию ветра в чистую, возобновляемую электроэнергию.
Большинство ветряных турбин состоят из трех лопастей, закрепленных на башне из трубчатой стали. Реже встречаются разновидности с двумя лопастями, с бетонными или стальными решетчатыми башнями. На высоте 100 футов или более над землей башня позволяет турбине использовать более высокие скорости ветра, характерные для больших высот.
Турбины улавливают энергию ветра своими пропеллерными лопастями, которые действуют так же, как крыло самолета. Когда дует ветер, на одной стороне лопасти образуется карман воздуха низкого давления. Затем воздушный карман низкого давления притягивает лопасть к себе, заставляя ротор вращаться. Это называется лифт. Подъемная сила намного больше, чем сила ветра, действующая на переднюю сторону лопасти, что называется сопротивлением.
Сочетание подъемной силы и сопротивления заставляет ротор вращаться как пропеллер.
Ряд шестерен увеличивает скорость вращения ротора примерно с 18 оборотов в минуту до примерно 1800 оборотов в минуту — скорость, которая позволяет генератору турбины производить электричество переменного тока.
Корпус обтекаемой формы, называемый гондолой, содержит ключевые компоненты турбины, обычно включая шестерни, ротор и генератор, которые находятся внутри корпуса, называемого гондолой. Некоторые гондолы, расположенные на вершине башни турбины, достаточно велики, чтобы на них мог приземлиться вертолет.
Другим ключевым компонентом является контроллер турбины, который удерживает скорость ротора от превышения 80 км/ч, чтобы избежать повреждений от сильного ветра. Анемометр непрерывно измеряет скорость ветра и передает данные контроллеру. Тормоз, также расположенный в гондоле, останавливает ротор механически, электрически или гидравлически в аварийных ситуациях. Изучите интерактивную графику выше, чтобы узнать больше о механике ветряных турбин.
Существует два основных типа ветряных турбин: с горизонтальной осью и с вертикальной осью.
Большинство ветряных турбин имеют горизонтальную ось: конструкция в виде пропеллера с лопастями, вращающимися вокруг горизонтальной оси. Турбины с горизонтальной осью расположены либо против ветра (ветер бьет по лопастям раньше, чем башню), либо по ветру (ветер бьет по башне раньше, чем лопасти). Ветряные турбины также включают в себя привод рыскания и двигатель — компоненты, которые поворачивают гондолу, чтобы удерживать ротор по направлению к ветру, когда его направление меняется.
Хотя существует несколько производителей ветряных турбин с вертикальной осью, они не проникли на рынок коммунальных услуг (мощностью 100 кВт и выше) в той же степени, что и ветряные турбины с горизонтальным доступом. Турбины с вертикальной осью подразделяются на две основные конструкции:
Ветряные турбины используются в различных целях — от использования морских ветряных ресурсов до выработки электроэнергии для одного дома:
Небольшие турбины иногда подключают к дизельным генераторам, батареям и фотогальваническим системам. Эти системы называются гибридными ветровыми системами и обычно используются в удаленных, автономных местах, где подключение к коммунальной сети недоступно.
0042Чтобы обеспечить будущий рост ветровой промышленности США, Программа Министерства энергетики США по ветру работает с отраслевыми партнерами над повышением надежности и эффективности технологии ветряных турбин, а также снижением затрат. Исследовательские усилия программы помогли увеличить средний коэффициент мощности (показатель производительности электростанции) с 22 процентов для ветряных турбин, установленных до 1998 года, до более чем 32 процентов для турбин, установленных в период с 2006 по 2012 год. Затраты на энергию ветра были снижены с более чем 55 центов за киловатт-час (кВтч) в 19От 80 до менее 6 центов/кВтч сегодня в районах с хорошими ветровыми ресурсами.
Ветряные турбины дают уникальную возможность использовать энергию там, где она больше всего нужна населению нашей страны. Это включает в себя потенциал морского ветра для обеспечения электроэнергией населенных пунктов вблизи береговой линии, а также способность наземного ветра поставлять электроэнергию в сельские общины с несколькими другими местными источниками энергии с низким уровнем выбросов углерода.
Департамент энергетики продолжает работу по развертыванию ветровой энергии в новых районах на суше и на море и обеспечению стабильной и надежной интеграции этой энергии в электрическую сеть нашей страны.
Присоединяйтесь к нам сегодня для нашей ветряной турбины Twitter Часы работы в 14:00. ЕТ.
Чтобы принять участие в обсуждении, заранее отправьте свои вопросы в социальных сетях с помощью #HowEnergyWorks или по электронной почте [email protected].
ПРОГОЛОСУЙТЕ СЕЙЧАС, чтобы решить, какую тему «Как работает энергия» мы рассмотрим дальше!
Дэниел Вуд еще этого автора
(202) 586-4940 или [email protected]
ИСТОЧНИКИ ЭНЕРГИИ
ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ЭНЕРГИИ
ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЕ ВОЗДЕЙСТВИЕ
ИНДЕКС
Рис.
1. Турбины могут быть довольно большими, паровая турбина выше представлена в масштабе с человеком. [1]
Турбина — это устройство, которое использует кинетическую энергию некоторой жидкости, такой как вода, пар, воздух или дымовые газы, и превращает ее во вращательное движение самого устройства. [2] Турбины обычно используются в электроэнергетике, двигателях и двигательных установках. Турбины — это машины (в частности, турбомашины), потому что турбины передают и изменяют энергию. Простая турбина состоит из ряда лопастей — в настоящее время сталь является одним из наиболее распространенных материалов — и позволяет жидкости поступать в турбину, толкая лопасти. Эти лопасти вращаются, пока жидкость проходит через них, захватывая часть энергии в виде вращательного движения. Жидкость, протекающая через турбину, теряет кинетическую энергию и выходит из турбины с меньшей энергией, чем в начале. [2]
Турбины используются во многих различных областях, и каждый тип турбины имеет немного отличающуюся конструкцию для правильного выполнения своей работы.
Турбины используются в ветроэнергетике, гидроэнергетике, в тепловых двигателях и для движения. Турбины чрезвычайно важны из-за того факта, что почти вся электроэнергия производится путем преобразования механической энергии турбины в электрическую энергию с помощью генератора. [2]
Тепловые двигатели используют турбины (а также поршни), поскольку они могут эффективно извлекать энергию из жидкостей. Кроме того, турбины требуют довольно небольшого обслуживания.
Газовые турбины часто используются в тепловых двигателях, поскольку они являются одним из наиболее гибких типов турбин. Одним из конкретных применений этих газовых турбин являются реактивные двигатели. [2] В этих газовых турбинах сжатый воздух нагревается и смешивается с некоторым количеством топлива. Когда эта смесь воспламеняется, она подвергается быстрому расширению. Расширяющийся воздух нагнетается в турбину, заставляя ее вращаться.
Поскольку они используют сжатый воздух, большие высоты не влияют на эффективность турбин, что делает их идеальными для использования в самолетах. [3] . Схема газовой турбины показана на рисунке 2 ниже.
Рис. 2. Схема газотурбинного двигателя. [4]
Эти турбины используются не только в самолетах, но и для выработки электроэнергии на электростанциях, работающих на природном газе. Дымовые газы в этом случае возникают в результате сжигания природного газа. [3]
Рисунок 3. Схема гидроэлектростанции. [5]
На гидроэлектростанциях вода удерживается за плотиной и сбрасывается через водовод. Вода, обладающая кинетической и потенциальной энергией, попадает на турбину, которая вращает вал, соединенный с генератором, вырабатывая таким образом электричество.
Эти турбины необходимы в области гидроэнергетики — процесса получения энергии из воды.
Конструкция гидротурбин одинакова для разных типов гидроэлектростанций (для получения дополнительной информации см. Русловые гидроэлектростанции и водохранилища). Ряд лопастей прикреплен к некоторому вращающемуся валу или пластине. Затем вода проходит через турбину по лопастям, заставляя внутренний вал вращаться. Затем это вращательное движение передается на генератор, где вырабатывается электричество. Существует множество различных типов турбин, которые лучше всего использовать в различных ситуациях. Каждый тип турбин создан для обеспечения максимальной мощности в той ситуации, в которой он используется (примеры различных типов гидроэнергетических турбин включают турбины Фрэнсиса, турбины Каплана и турбины Пельтона). Есть много факторов, которые необходимо изучить, чтобы определить, какую турбину следует использовать. Эти факторы включают гидравлический напор, гидроэлектрический расход и стоимость.
[6]
На этих сооружениях обычно используются два типа турбин, выбор которых зависит от характеристик гидроэлектростанции. Это реактивные турбины и импульсные турбины. Для получения дополнительной информации о том, как работают эти турбины, и более подробной информации о других турбинах, нажмите здесь.
Рис. 4. Схема ветряной турбины. [7]
Ветряные турбины работают путем преобразования кинетической энергии ветра в механическую энергию, которая используется для выработки электроэнергии путем вращения генератора. Эти турбины могут быть наземными или морскими ветряными турбинами. Эти турбины состоят из трех основных компонентов. Первыми из них являются лопасти несущего винта, которые имеют форму крыльев самолета, чтобы ловить воздух, заставляя лопасти вращаться. Второй компонент — гондола, набор шестерен и генератор, преобразующий вращение лопасти в электрическую энергию.
Наконец, башня представляет собой большую подставку, на которой установлены лопасти и гондола. [8]
