В центре внимания — турбонагнетатели MAHLE Original и их компоненты

Конструкция и принцип работы турбонагнетателя

Наши турбонагнетатели выдерживают самые высокие нагрузки

Количество оборотов более 300 000 в минуту, температура отработавших газов свыше 1000 °C.

Конструкционный материал должен быть особенно прочным, обеспечивая при этом высокий КПД всего агрегата. Достижение высокой эффективности работы турбонагнетателя в широком диапазоне характеристик в таких экстремальных условиях возможно только при наличии солидной опытно-конструкторской базы и высокоточного производства. Для этого компания MAHLE разработала новую методику, ставшую частью как научно-исследовательского, так и производственного процесса.

Автомастерские могут быть уверены, что получат турбонагнетатели наивысшего класса благодаря современнейшим методам моделирования, жестким испытаниям и автоматизированному производству. Турбонагнетатели отличаются высочайшим качеством отливки и точной балансировкой. Компания MAHLE — это гарант бескомпромиссного качества продукции.

Конструкционные материалы: только лучшее для безопасности человека, двигателя и окружающей среды

Детали корпуса турбонагнетателя отлиты из высококачественного алюминия или стали, а турбины изготовлены из устойчивых к высоким температурам материалов.

Все это в сочетании с продуманной до мелочей конструкцией уже гарантирует отличные эксплуатационные характеристики. Но, как известно, совершенству нет предела. Команда инженеров и технологов постоянно занимается усовершенствованием всех технологических, монтажных и испытательных процессов. Речь идет, например, о высокоскоростной обработке резанием, технологии соединения и балансировки или покрытии поверхностей жидкими или твердыми материалами.

На балансировочном оборудовании выполняется симуляция различных режимов работы турбонагнетателя, помогающая определить динамический дисбаланс.

Вал и колесо турбины выполнены из различных материалов, но, благодаря инженерам компании MAHLE, электронно-лучевая сварка позволяет достичь абсолютно точного и надежного соединения деталей друг с другом.

Готовы к работе: турбонагнетатели MAHLE Original

Мощность двигателя внутреннего сгорания в основном зависит от объема воздуха, который присутствует в камере сгорания. Турбонагнетатель позволяет увеличить этот поток воздуха:

он использует энергию ОГ для предварительного сжатия нагнетаемого воздуха, направляя в двигатель значительно больший объем воздуха и, тем самым, кислорода для более эффективного процесса сгорания топлива.

Газотурбинный наддув способствует повышению максимального крутящего момента и максимальной мощности (сохраняя постоянный рабочий объем) или увеличению величины среднего давления, не отбирая при этом мощность самого двигателя, как это бывает в случае создания наддува механическим способом (например, компрессором). Такое повышение КПД позволяет создавать более мощные двигатели, обладающие приблизительно такими же габаритами, как и «слабый» агрегат. Или же — а именно такая тенденция и прослеживается — реализовать концепции «даунсайзинга», способствующие снижению расхода топлива и эмиссии СО2 без потери мощности.

Усовершенствование турбонагнетателей: работа, которая никогда не прекращается.

Газотурбинные нагнетатели способствуют полному раскрытию потенциала увеличения КПД, характеристик срабатывания и акустических свойств. Это позволит еще больше снизить расход топлива, а вместе с ним сократить эмиссии СО2. Благодаря новаторским разработкам в области технологий турбонаддува увеличится доля двигателей, укомплектованных турбонагнетателями. Поэтому в следующее десятилетие двигатель внутреннего сгорания сохранит лидирующую позицию, оставив альтернативные системы привода позади.

Конструкция и принцип работы компонентов турбонагнетателя

Регулировка давления наддува

Уже на низких оборотах двигателя и при небольшом массовом потоке ОГ турбонагнетатели обеспечивают высокий крутящий момент двигателя (Low End Torque, крутящий момент при низких оборотах).

В целях предотвращения перегрузки двигателя на высоких оборотах в агрегатах используется система регулировки давления наддува.

Газотурбинные нагнетатели позволяют также работать в режиме overboost: речь идет о кратковременном создании более высокого давления наддува, например, при разгоне.

На высоких оборотах двигателя клапан «вейстгейт» направляет часть потока ОГ мимо колеса турбины. Таким образом, через турбину проходит меньший поток ОГ и противодавление ОГ снижается. На низких же оборотах «вейстгейт» закрыт, поэтому весь поток ОГ приводит турбину и, соответственно, компрессор в движение.

Мы предлагаем системы регулирования давления наддува с помощью клапана «вейстгейт» для любых дизельных и бензиновых двигателей мощностью до 560 кВт. Такие системы регулирования давления наддува отличаются долгим сроком службы и хорошей функциональностью.

Турбонагнетатели с изменяемой геометрией турбины укомплектованы регулируемыми направляющими лопастями, которые управляют давлением наддува независимо от числа оборотов двигателя. Для создания высокого давления наддува на низких оборотах направляющие лопасти располагаются под плоским углом, образуя небольшое отверстие для прохода ОГ. Так поток ОГ развивает высокую скорость. Повышенная кинетическая энергия ОГ передается на турбину и увеличивает число оборотов.

На высоких оборотах двигателя направляющие лопасти раскрываются шире, и поток ОГ подается на внутреннюю часть лопаток турбины с меньшей скоростью.

Турбина

Турбинное колесо вместе с корпусом турбины, клапаном «вейстгейт» или направляющими лопастями (в турбонагнетателях с изменяемой геометрией турбины) образуют турбину турбонагнетателя, которая приводится в действие потоком ОГ.

Горячие отработавшие газы накапливаются перед турбиной и преобразуются внутри нее в кинетическую энергию, вращение турбины при этом ускоряется, и число оборотов может составить вплоть до 300 000 оборотов в минуту. ОГ подаются на колесо турбины в радиальном направлении, а выходят в осевом направлении.

Геометрия турбины (колеса и корпуса) вместе с клапаном «вейстгейт» или направляющими лопастями (в турбонагнетателях с изменяемой геометрией турбины) выбираются так, чтобы они оптимальным образом соответствовали спецификации двигателя. Для этого используется как коммерческое, так и разработанное нашей компанией программное обеспечение, которое позволяет в самые короткие сроки найти требуемое техническое решение.

Корпус турбины

Подходящий корпус турбины для любых условий эксплуатации:

  • Стандартный однокамерный корпус (Mono Flow)
  • Двухкамерный корпус (Twin Flow)
  • Корпус с интегрированным выпускным коллектором

Для работы в жестком температурном режиме бензиновых двигателей (>1000 °C) мы используем высокопрочные и термостойкие материалы.

Двухкамерный корпус (Twin Flow)

В целях предотвращения неблагоприятного взаимовлияния потоков ОГ в процессе газообмена, ОГ проходит от цилиндров до корпуса турбины по двум отдельным каналам. Во избежание снижения величины теплосодержания ОГ возможен монтаж турбины рядом с выпускными клапанами. Это позволит достичь хорошего КПД турбины и, соответственно, хорошей реакции двигателя.

Компрессор

Компрессор включает в себя рабочее колесо, диффузор и корпус.

Как и турбина, компрессор оптимальным образом соответствует типу двигателя и его характеристикам. Рабочее колесо центробежного компрессора передает бóльшую часть поступающей с турбины кинетической энергии на поток воздуха.

Это приводит к увеличению давления в расположенном в корпусе компрессора диффузоре. Мы использует высокопрочные и в максимальной степени сохраняющие свою форму фрезерованные рабочие колеса компрессора, выполненные из специальных алюминиевых сплавов. Поэтому компрессор обеспечивает высокое ускорение вращения турбины, равно как и достижение высокого крутящего момент на низких оборотах двигателя. Равномерная геометрия колеса способствует сильному сокращению шумовой эмиссии вследствие пульсации.

Для обеспечения повышенной устойчивости к износу на поверхность колеса компрессора может быть нанесено специальное покрытие. Такое решение может потребоваться, например, при использовании систем рециркуляции ОГ с пониженным давлением.

Корпус компрессора

Корпус компрессора проходит постоянную оптимизацию с точки зрения его аэродинамических свойств. Для расширения полезного рабочего диапазона мы предлагаем опциональные технические решения. Для этого были разработаны специальные рециркуляционные системы, обеспечивающие стабилизацию характеристик компрессора.