Principio de deconstrucción del principio de turbocompresión
Si en la misma unidad de tiempo, se puede forzar más mezcla de aire y combustible al cilindro (cámara de combustión) para su compresión y explosión (un motor de pequeña cilindrada puede "inhalar" aire de gran cilindrada y mejorar la eficiencia volumétrica), puede producir una mayor potencia que un motor de aspiración natural a la misma velocidad. El turbocompresor es impulsado por los gases de escape y básicamente no hay pérdida de energía adicional (no supone una carga adicional para el motor), por lo que puede generar fácilmente una gran potencia. Este es un diseño muy inteligente. Es como soplar un ventilador eléctrico dentro del cilindro, forzando al viento a llenar el cilindro, aumentando así la cantidad de aire en el interior y obteniendo más caballos de fuerza, pero el ventilador es impulsado por los gases de escape del motor, no por el motor eléctrico.
En términos generales, el motor puede aumentar al menos entre un 30% y un 40% de potencia adicional con una acción de "inducción de aire forzado". Estos impresionantes efectos son lo que hace que los turbocompresores sean tan atractivos. Además, conseguir una perfecta eficiencia de combustión y aumentar considerablemente la potencia son los mayores valores que el sistema de turbocompresión puede aportar a los vehículos.
El sistema incluye un turbocompresor, un intercooler, una válvula de derivación de admisión, una válvula de derivación de escape y conductos de admisión y escape de soporte.
La forma en que se conecta el turbocompresor en el automóvil es como se muestra en la figura: Esperamos que pueda comprender la secuencia de funcionamiento del turbocompresor a través de los siguientes sencillos pasos, lo que le permitirá comprender claramente el principio de funcionamiento del sistema del turbocompresor. . El diagrama esquemático es el siguiente:
Primero, los gases de escape descargados del motor impulsan el impulsor de la turbina)② en el extremo de escape de la turbina, lo que hace que gire. Por lo tanto, puede hacer que la rueda del compresor (③) del otro lado conectado a ella gire al mismo tiempo.
La segunda es que el impulsor del compresor inhala a la fuerza aire desde la entrada de aire. Después de ser comprimido por la rotación de las palas, ingresa al canal de compresión con un diámetro cada vez más pequeño para la compresión secundaria. inyectado en el cilindro para la combustión.
En tercer lugar, algunos motores están equipados con un intercooler para reducir la temperatura del aire comprimido, aumentar su densidad y evitar que el motor golpee.
En cuarto lugar, el aire comprimido (y enfriado) ingresa al cilindro a través del tubo de admisión y participa en la combustión y el trabajo.
5. Los gases de escape quemados se descargan del tubo de escape, ingresan a la turbina y luego repite la acción anterior (1). El cuerpo del turbocompresor es la parte más importante del sistema del turbocompresor, que es lo que generalmente llamamos "gusano" o "espiral". La turbina recibió su nombre porque su forma se asemeja a la concha del lomo de un caracol o a la caracola que se encuentra en un puesto de mariscos.
El cuerpo del turbocompresor es el componente central para mejorar la eficiencia de carga. Su estructura básica se divide en: extremo de admisión, extremo de escape y parte de conexión intermedia.
La entrada de aire incluye una carcasa de compresor, que incluye una entrada de compresor, una salida de compresor y un impulsor de compresor.
El extremo de escape incluye una carcasa de turbina que incluye una entrada de turbina, una salida de turbina y una rueda de turbina.
Entre las dos carcasas, se encuentra una carcasa central, que está equipada con un eje que conecta y soporta el impulsor del compresor y el impulsor de la turbina, y maneja decenas de miles de revoluciones, así como la correspondiente entrada de aceite. y salida de aceite (incluso entradas y salidas de agua).
La “alta temperatura” es la mayor prueba a la que se enfrenta el turbocompresor cuando está en funcionamiento. Cuando la turbina está en funcionamiento, lo primero con lo que entra en contacto es con los gases de escape de alta temperatura (la primera fuente de calor) del motor, que empuja el impulsor de la turbina y hace que el impulsor del compresor del otro lado funcione sincrónicamente. La velocidad de rotación de todo el eje de la cuchilla es de 120.000-160.000 rpm. Por lo tanto, el calor generado por la rotación a alta velocidad del eje de la turbina es asombroso (la segunda fuente de calor), y la temperatura del aire aumenta después de ser comprimido por el impulsor del compresor (la tercera fuente de calor), convirtiéndose en la temperatura más alta. -carga de temperatura en el turbocompresor. El turbocompresor se convierte en un sistema de trabajo independiente que integra componentes de alta temperatura. Por tanto, la "disipación de calor" es muy importante para los turbocompresores. Hay circuitos de aceite especiales (disipación de calor y lubricación) dentro del cuerpo de la turbina, y muchos están diseñados con circuitos de aceite y circuitos de agua al mismo tiempo, lo que puede reducir la temperatura del sobrealimentador mediante la doble disipación de calor del enfriamiento por aceite y el enfriamiento por agua. Los rodamientos parecen ser simples tubos de metal, pero en realidad son piezas de precisión que giran entre 120.000 y 160.000 rpm y se encuentran a temperaturas ultraaltas. Sus finas tolerancias de mecanizado y su sofisticada aplicación y manejo de materiales son las tecnologías centrales de cualquier fábrica de turbinas. Los ejes de turbina tradicionales utilizan una construcción con cojinetes de casquillo. En realidad, es solo un tubo de metal que depende completamente del aceite a alta presión que ingresa a la cámara del rodamiento para disipar el calor, de modo que pueda girar a altas velocidades.
Los rodamientos de bolas recién surgidos se han convertido gradualmente en la tendencia de desarrollo de los ejes de turbinas.
Como sugiere el nombre, los rodamientos de bolas instalan bolas en el eje de la turbina en lugar de aceite como rodamientos. Los rodamientos de bolas tienen muchas ventajas: menor fricción, por lo que habrá una mejor respuesta de la turbina (puede reducir el retraso de la turbina), lo que favorece la extracción final de potencia, un control dinámico más estable de la rotación del eje de la turbina (tradicionalmente, los rodamientos están hechos de motor); aceite, la carrera es flotante); los requisitos de presión y calidad del aceite se pueden reducir relativamente, lo que mejora indirectamente la vida útil de la turbina. Pero su desventaja es que su durabilidad no es tan buena como la de los rodamientos Bos tradicionales. Alcanzará su límite de vida entre 70.000 y 80.000 kilómetros, y su mantenimiento no es fácil y costoso. Por lo tanto, los fabricantes de turbinas que valoran la durabilidad (como el KKK) no lanzarán este tipo de turbinas. Los tipos de palas de los impulsores de turbina se pueden dividir en palas "tipo rueda hidráulica" (la forma es un diseño de pala recta, lo que hace que la colisión de los gases de escape genere una fuerza giratoria, que se combina directamente con el movimiento giratorio) y "molino de viento". tipo" aspas (la forma es un diseño de aspa curva, que no solo utiliza la fuerza de colisión, sino que también utiliza eficazmente el flujo de aire para ingresar entre las aspas para obtener la energía de expansión del gas de escape). El diámetro del impulsor y el número de palas de la rueda de la turbina afectan la linealidad de los caballos de fuerza. En teoría, cuantas menos palas, peor será la respuesta a bajas velocidades, pero el poder explosivo y la sostenibilidad a altas velocidades no pueden igualarse con varias palas.
La mayoría de las palas de los impulsores de turbinas están hechas de acero de alta resistencia al calor (algunas utilizan tecnología cerámica), pero debido a la gran masa de hierro en sí, se producen palas de aleación de titanio ligeras y resistentes. Entre los automóviles producidos en masa, solo el modelo Mitsubishi Lancer EVO ⅸ RS tiene una turbina equipada con palas de aleación de titanio (el modelo de turbina de aleación de titanio de EVO es TD05-HRA, generalmente TD05-HR, para referencia de los lectores). Entre los productos modificados, sólo la turbina de carreras de Garrett utiliza una aleación de titanio, de la que nunca he oído hablar todavía. Las palas son la fuente de energía de la turbina. Sin embargo, las funciones del impulsor del compresor y del impulsor de la turbina son diferentes, por lo que, por supuesto, las formas de las palas también son diferentes. Básicamente, la tarea principal del impulsor del compresor se considera la eficacia con la que se exprime el aire en el canal de compresión y, por tanto, determina su forma.
Generalmente, el impulsor del compresor de la turbina original adopta un diseño de pala completa, es decir, las palas están diseñadas de arriba a abajo. Para aumentar el área de paso del aire inhalado y mejorar la eficiencia de la rotación a alta velocidad, han aparecido muchos impulsores con medias palas insertadas junto a las palas completas (este diseño aparece a menudo en productos modificados).
Otro propósito del diseño del impulsor del compresor es equilibrar la velocidad del aire comprimido. El impulsor tradicional es una "rueda de compresión radial" y la velocidad del gas entre sus dos palas cambia muy rápidamente: las palas comprimen el aire delante del impulsor, por lo que se mueve muy rápidamente. Sin embargo, debido a factores como la resistencia a la succión y la contrapresión, el flujo de aire detrás de las aspas es más lento. Cuando la válvula de mariposa está medio abierta, la velocidad del impulsor del compresor disminuye y la velocidad del aire que ingresa a la rueda del compresor disminuye. Sin embargo, si la cantidad de aire que se ha comprimido antes es relativamente excesiva, se producirá un estado de "vacío" y el aire no podrá transportarse (la velocidad de rotación del impulsor del compresor no puede generar una presión mayor que la presión del aire en la entrada). tubería), y no se puede generar presión relativa (retroalimentación de presión). Este es el fenómeno llamado "sobretensión del compresor".
El llamado efecto oleada es como remover el agua de un balde con las manos. Cuanto más rápido revuelvas con las manos, más agua en el balde se esparcirá hacia el borde del balde, y luego el nivel del agua en el balde bajará cada vez más. Al final, el agua en el balde solo girará alrededor del balde y no caerá. Este fenómeno también ocurre con la aerodinámica. Puedes imaginarlo: la entrada de aire del compresor es como un balde y el aire circundante es como agua. En cuanto a las palas de la turbina, son como manos que se mueven. Una vez que aumenta la velocidad de rotación de las palas de la turbina, el flujo de aire en la entrada de aire se distribuirá gradualmente. Cuanto mayor sea la velocidad, más cerca estará el flujo de aire del entorno, lo que hará que la posición central de las palas de la turbina sea cada vez menos capaz de absorber aire, e incluso terminará en un estado de vacío. El aire solo puede entrar desde alrededor. aspas y, por supuesto, la eficiencia de la entrada de aire disminuirá. Las palas con grandes ángulos de barlovento tienen una mejor eficiencia de entrada de aire, pero son propensas a sufrir efectos de sobretensión a altas velocidades, mientras que las palas con pequeños ángulos de barlovento tienen el efecto contrario.
Para evitar el fenómeno de "elevación de gas", el impulsor del compresor "inverso", que está diseñado para reducir el ángulo de las palas en la dirección de funcionamiento (más cerca de la dirección del eje de la turbina) para mantener un flujo uniforme, Se ha convertido gradualmente en un producto modificado. La corriente principal es la denominada hoja de "flujo oblicuo" en el campo de la modificación. El álabe de "flujo oblicuo" suele ser un medio álabe añadido debajo del álabe principal original (generalmente su ángulo es más cercano al eje de la turbina, es decir, más vertical). Si mira directamente al impulsor del compresor desde la entrada de aire, puede ver que las dos aspas se superponen, lo que indica que se trata de un impulsor de "flujo oblicuo". El impulsor del compresor de una turbina híbrida suele utilizar palas de "flujo oblicuo" (parte posterior aplanada) con una entrada de succión ampliada en forma de embudo para aumentar la salida de aire.
Además, hay un nuevo diseño que agrega un orificio de escape de circulación a la entrada de aire del compresor para hacer circular el aire comprimido perdido dos veces para reducir el efecto de sobretensión (no se detalla aquí, el HKS T04Z tiene este diseño). El intercooler está ubicado en la "fila de enfriamiento" entre la salida del compresor y la válvula de mariposa. Su estructura es un poco como un tanque de agua. Utiliza muchos pequeños tubos planos de aluminio para dividir la presión del aire y luego usa aire frío del exterior para soplar el disipador de calor conectado a los tubos delgados para enfriar el aire comprimido y hacer la entrada. Temperatura del aire cercana a la temperatura normal.
Los motores odian el aire caliente porque el aire caliente reduce los caballos de fuerza. Especialmente en zonas subtropicales donde hace calor todo el año. Sin embargo, debido a que el turbocompresor comprimirá a la fuerza el gas aspirado por el motor, la densidad del aire aumentará, pero al mismo tiempo la temperatura del aire también aumentará bruscamente. El aumento de temperatura, a su vez, hace que disminuya el contenido de oxígeno en el aire comprimido. Además, este gas caliente entrará en el cilindro de alta temperatura sin enfriarse, provocando un preencendido irregular del combustible (golpes), agravando aún más el aumento de temperatura del motor y aumentando la posibilidad de que el pistón se derrita.
Para aumentar la densidad del aire y tener en cuenta el contenido de oxígeno en el aire, necesitamos bajar la temperatura del aire entrante (en mayor medida) después de comprimir el aire. Así nació el intercooler. Cuanto mayor sea el área y el grosor del intercooler, mayor será su capacidad de disipación de calor. Debido a la gran superficie y espesor, el número, la longitud y las aspas de enfriamiento de los pequeños tubos planos en el intercooler aumentan, lo que permite que el aire comprimido a alta temperatura en el intercooler tenga más área de contacto y tiempo de contacto con la atmósfera fuera del intercooler. , lo que da como resultado que el área y el tiempo de intercambio de calor (enfriamiento) sean más suficientes y el efecto de enfriamiento sea mejor. Aunque el intercooler de gran capacidad tiene una mejor eficiencia de enfriamiento, alarga la ruta de disipación de calor y aumenta el volumen de entrada de aire, lo que provocará una pérdida de presión relativa y aumentará fácilmente el retraso del turbo. La válvula reductora de presión de admisión también se conoce comúnmente como "válvula reductora de presión de admisión". Instalado en el tubo de admisión cerca del acelerador, es el dispositivo de alivio de presión original para la mayoría de los motores turboalimentados cuando salen de fábrica.
Debido a que la turbina es impulsada por la potencia de los gases de escape, el acelerador se cierra cuando se cierra el acelerador durante la conducción (como al cambiar de marcha, frenar bruscamente). Las palas de la turbina (impulsor del compresor) continúan girando bajo la acción de la inercia. En este momento, debido al cierre de la válvula de mariposa y la presurización continua de las palas, la presión del aire en el tubo de admisión (entre la válvula de mariposa y la turbina) aumentará rápidamente. Para proteger el sistema de sobrealimentación, cuando la presión alcanza un cierto valor límite, la válvula de derivación de admisión se abre para guiar el exceso de aire (presión) de regreso entre el filtro y la turbina para lograr la función de protección de reducción de presión.
La válvula de purga de aire (BOV), comúnmente conocida como "válvula de purga de aire", es también una válvula de derivación de admisión. Es solo que generalmente se usa como pieza modificada para reemplazar la válvula de seguridad. Su función es básicamente la misma que la de una válvula de seguridad. La única diferencia es que la válvula de purga no se ve tan fácilmente afectada por la presión de entrada (provocando una caída en la presión de entrada) como la válvula de seguridad. Además, la válvula de alivio libera la presión residual directamente a la atmósfera después de cerrar el acelerador, en lugar de represurizar entre la turbina y el filtro. Por lo tanto, además de proteger el sistema de turbina, la válvula de alivio también supera a la válvula de alivio original en términos de respuesta de alivio de presión. Sin embargo, con motores turbo sobrealimentados de pequeña cilindrada o pequeños, la respuesta dinámica de la válvula de purga al repostar empeorará. Además, cuando la válvula de escape libera presión, producirá más sonidos de escape, lo que emocionará más a la gente y se convertirá en el efecto de sonido más especial de los automóviles turboalimentados.