Auto-park24.ru

Журнал "Автопарк"
0 просмотров
Рейтинг статьи
1 звезда2 звезды3 звезды4 звезды5 звезд
Загрузка...

Устройство и принцип работы турбины дизельного двигателя

Принцип работы турбины на дизельном двигателе и ее устройство

Сегодня мы поговорим о о вещах, не рекомендуемых к использованию на турбодвигателях. Нам поможет автомобиль nissan 200 sx с мотором 1 JZ. Да, были времена, когда японцы делали поистине надёжные машины, но исключение не составила и эта.

Здесь цилиндры массивные, мощные и никак не напрашиваются на поломку. Но давайте все же разберемся: чего не стоит делать на этой малышке.

Для начала не советую вам глушить двигатель после того, как вы накатили на автомобиле. Когда вы глушите двигатель, то раскалённое масло, которое до сих пор циркулировало по системе, застывает и оседает в местах, на которых очень, очень жарко.

Оно по истечению какого-либо времени начинает испаряться, а затем закоксовываться в этих местах. Таким образом масло превращается в шлаки и засорения.

Все бы нечего, но через турбину тоже проходит масло и происходит там аналогичная ситуация. И поэтому, чтобы этого не происходило я рекомендую давать двигателю проработать хотя бы пару минут, чтобы масло прошло все эти критические точки и, чтобы эти места остыли. Затем можете спокойно идти по своим делам.

Но есть некоторые исключения. Современные моторы оснащены двумя системами: водяной и масляной. В таких автомобилях есть интеркуллеры, которые соединяются непосредственно с турбиной. Получается что все агрегаты двигателя охлаждаются по отдельности и проводить данную операцию не нужно.

Но все же стоит подержать такой автомобиль хотя бы 15-20 секунд, чтобы увеличить срок службы двигателя.

Конструктивные элементы системы

Для осуществления возложенных функций, система турбонаддува состоит из двух основных частей:

  1. Компрессор;
  2. Турбина.

Компрессор служит для нагнетания атмосферного воздуха в систему подачи топлива. Он состоит из корпуса и расположенной в нем крыльчатки, которая, вращаясь, всасывает воздух. Чем выше ее скорость вращения, тем больше объем принятого воздуха. Увеличению скорости способствует работа турбины.

Она также состоит из корпуса с крыльчаткой (ротором), которая приводится в движение выхлопными газами. В корпусе газы проходят через специальный канал, имеющий форму улитки, что позволяет им увеличить скорость.

Где расположено устройство в моторе и как оно работает

В зависимости от типа устройства, интеркулер может монтироваться в различных местах. Наиболее оправданное, с практической точки зрения, расположение – передняя часть подкапотного пространства.

Чаще всего, его можно встретить до радиатора системы охлаждения двигателя. Именно здесь он будет работать с наибольшей эффективностью. Потоки встречного воздуха, проходя через «жабры» теплообменника будут способствовать наилучшему охлаждению нагнетаемого турбиной воздуха.

Это интересно: Что такое тахограф и для чего он нужен в автомобиле

В качестве альтернативного варианта, нередко прибегают к так называемой верхней схеме. Суть её сводится к тому, что интеркулер устанавливается над двигателем.

Таким способом монтажа чаще всего пользуются в том случае, когда, в силу особенностей конструкции авто, нет возможности поставить теплообменник внутри так называемого «телевизора». Такая схема требует установки дополнительного воздухозаборника на капоте авто.


Как работает турбонаддув дизельного двигателя

Ротор турбины и крыльчатка компрессора жестко закреплены на одном валу. Таким образом, скорость вращения ротора передается крыльчатке. Круг замыкается:

  • Через компрессор воздух из атмосферы, смешиваясь с топливом, подается в цилиндры двигателя;
  • Смесь сгорает, приводя в движение поршни, и образовавшиеся в результате газы поступают в выпускной коллектор;
  • Здесь они принимаются в корпус турбины, разгоняются в канале и на выходе взаимодействуют с ротором, заставляя его вращаться;
  • Ротор через вал передает вращение крыльчатке компрессора, которая всасывает в корпус атмосферный воздух.

Получается взаимосвязанная схема работы, когда количество всасываемого воздуха зависит от скорости вращения крыльчатки и, наоборот, крыльчатка вращается быстрее при большем количестве забираемого воздуха.

Принцип работы турбонаддува имеет два момента, называемые турбоямой и турбоподхватом.

Первый момент характеризуется задержкой в работе турбины после увеличения подачи топлива нажатием на педаль газа, так как для разгона ротора выхлопными газами требуется время.

Вслед за турбоямой наступает момент турбоподхвата, когда разогнавшийся ротор резко увеличивает подачу воздуха в цилиндры, повышая мощность двигателя.

Признаки неисправности турбины

Определить наличие неисправностей можно исходя из определенных отклонений в работе автомобиля:

  • существенное ухудшение показателей динамики авто
  • большие временные затраты на набор моторных оборотов
  • нестандартный цвет выхлопных газов – голубоватый либо сизый
  • наличие запаха перегоревшего газа
  • шумы в области двигателя – вой, стук, свист, гудение
  • появление нестабильных холостых оборотов.

Регулировка давления наддува

Турбонаддув дизельного двигателя повышает его мощность за счет возрастания давления выхлопных газов, являющихся результатом увеличения числа оборотов и интенсивности работы мотора. Этот же процесс повышает давление наддува. Если его не регулировать, то на самых высоких оборотах оно может достичь опасных значений, приводящих к поломкам и механическим повреждениям.

Регулировка давления производится с помощью выпускного предохранительного клапана, а контроль максимально допустимого значения — с помощью мембраны и пружины определенной жесткости.

Суть работы: при достижении предельного значения давления, мембрана, установленная в корпусе компрессора, преодолевает воздействие пружины и открывает регулировочный клапан.

Давление регулируют как на стороне компрессора, так и на стороне турбины:

  1. Работающий турбокомпрессор сбрасывает в атмосферу через выпускной клапан излишки забранного воздуха, тем самым снижая давление.
  2. В турбине клапан выпускает отработанные газы под воздействием мембраны компрессора, когда давление всасываемого воздуха достигает максимального уровня. Благодаря этому, ротор вращается с установленной скоростью, а компрессор не забирает лишний воздух и не увеличивает давление.

Второй вариант расположения клапана позволяет изготавливать системы меньших габаритов. Кроме того, турбонагнетатель с клапаном в компрессоре подвержен чрезмерному нагреву из-за повышенной температуры выпускаемого воздуха, что негативно сказывается на эффективности его работы.

Поэтому турбонаддув дизельного двигателя чаще оснащают регулировочным клапаном в турбине, а регулировку в компрессоре используют в качестве дополнения.

Разновидности конструкций

В настоящее время интеркулер используется повсеместно, на различных видах автомобилей. Его можно встретить, как на бензиновых, так и на дизельных машинах.

Первый и наиболее распространённый вид интеркулера относится к воздушному типу теплообменников. Он представляет собой некого рода батарею, состоящую из трубок, соединённых между собой пластинами. И те, и другие выполняют функцию теплоотводящих элементов.

В среднем, такой тип промежуточного охладителя способствует тому, что, проходящая через него воздушная смесь, охлаждается до 45-50 градусов. Его наличие позволяет увеличить мощность мотора на 15-20%. Наибольший положительный эффект от работы теплообменника прослеживается при движении со скоростью не менее 40 км/ч.

Несмотря на все достоинства представленного устройства, есть у него и один достаточно существенный недостаток. В силу своих функциональных особенностей, интеркулер «воздух-воздух» очень громоздкий.

В заводских условиях, решить эту проблему удаётся без особых затруднений. Куда сложнее смонтировать данное устройство, есть возникла необходимость оснастить свой автомобиль турбокомпрессором в гаражных условиях. В данном случае, нередко возникает необходимость внесения изменений в конструкцию кузова авто, что влечет за собой массу неудобств.

Статья по теме: Термостат — принцип работы, проверка и устранение неисправностей

Следующий вид теплообменников принято называть водным. Рабочей средой в данном случае является вода или хладагент. Внешне, такой типов интеркулера разительно отличается от представленного ранее вида.

  • Во-первых, он более компактный, чем его воздушный аналог. Стоит отметить, что вода, в отличие от воздуха, обладает куда большей теплоёмкостью. Этим и объясняется хорошая теплоотдача данного устройства.
  • Второе, не менее существенное преимущество – высокая эффективность.

Сопоставительный анализ двух систем показал, что водный теплообменник в разы превосходит воздушный по основным рабочим показателям.

Всем хорош водный интеркулер, но всё же есть у него один минус. Кроется он в конструктивных особенностях устройства. Дело в том, что для обеспечения полноценной работы интеркулера, он оснащается датчиком температуры, блоком управления и водяным насосом. Каждый из представленных компонентов системы требует систематической диагностики и своевременного обслуживания.

Помимо этого, в случае поломки одного из этих узлов, владелец авто будет вынужден заплатить достаточно большие деньги. Именно поэтому, с целью удешевления, на большинстве бюджетных авто монтируется именно воздушный аналог данного устройства.

Система смазки

Смазка вала турбонагнетателя осуществляется смазочной системой двигателя.

На вал устанавливают уплотнительные кольца, предотвращающие проникновение масла в полости корпусов компрессора и турбины. Они же предохраняют корпуса от перегрева. Но герметичность обеспечивается не столько уплотнениями, сколько разностью величины давления в различных частях агрегата. Эту разницу давлений создает турбинная ось (вал), имеющая неравномерный диаметр.

Особая форма литья корпуса, в котором расположен вал, также способствует удержанию масла.

Если мотор не развивает требуемую мощность, это может быть симптомом неисправности турбонаддува. Наиболее часто встречающиеся проблемы — загрязнение воздушного фильтра или потеря герметичности впускного коллектора. Кроме потери мощности, их можно диагностировать по несвойственному для исправной машины цвету и количеству дыма, выходящего из выхлопной трубы.

Читать еще:  Что заливают в двигатель в передачи главная дорога

Недостатки турбокомпрессоров

Принцип работы турбины на дизельном двигателе создает и негативные факторы:

  • Повышенный расход горючего. Возможность сжечь большее количество солярки за счет увеличенного объема подачи воздуха, вместе с мощностью повышает и «прожорливость» машины. Уменьшить аппетит до разумных пределов позволяет правильная регулировка системы.
  • Положительные стороны наддува приводят к многократному повышению температуры во время такта сжатия, что может вызвать детонацию в двигателе. Решается эта проблема установкой охладителей, регуляторов и прочих элементов.

Правила эксплуатации

Чтобы в полной мере использовать ресурс турбины дизельного мотора и продлить ее срок службы, необходимо выполнять ряд условий:

  • Регулярно менять масло в системе, чтобы не допустить попадания абразива в маслопровод и его засорения.
  • Применять только качественное масло, имеющее сертификат, той марки, которая соответствует указанной в паспортных данных двигателя.
  • Прогревать мотор перед началом движения и не давать холодному двигателю высоких нагрузок.
  • Никогда резко не отключать движок, а после остановки автомобиля давать ему возможность поработать несколько секунд на холостых оборотах.

Как эксплуатировать авто с интеркулером

Дизельный двигатель, конструкция которого отличается наличием турбокомпрессора с интеркулером, требует от водителя определенных навыков и умений.

Помимо всего прочего, при эксплуатации подобных моторов, следует придерживаться некоторых правил:

Турбонаддув

Турбонаддув — вид наддува, при котором воздух в цилиндры двигателя подается под давлением за счет использования энергии отработавших газов.

В настоящее время турбонаддув является наиболее эффективной системой повышения мощности двигателя без увеличения частоты вращения коленчатого вала и объема цилиндров. Помимо повышения мощности турбонаддув обеспечивает экономию топлива в расчете на единицу мощности и снижение токсичности отработавших газов за счет более полного сгорания топлива.

Система турбонаддува применяется как на бензиновых, так и на дизельных двигателях. Вместе с тем, наиболее эффективен турбонаддув на дизелях вследствие высокой степени сжатия двигателя и относительно невысокой частоты вращения коленчатого вала. Сдерживающими факторами применения турбонаддува на бензиновых двигателях являются возможность наступления детонации, которая связана с резким увеличением частоты вращения двигателя, а также высокая температура отработавших газов (1000°С против 600°С у дизелей) и соответствующий нагрев турбонагнетателя.

Несмотря на различия в конструкции отдельных систем, можно выделить следующее общее устройство турбонаддува — воздухозаборник и далее последовательно воздушный фильтр, дроссельная заслонка, турбокомпрессор, интеркулер, впускной коллектор. Все элементы объединяют соединительные патрубки и напорные шланги.

Большинство элементов турбонаддува являются типовыми элементами впускной системы. Отличительной особенностью турбонаддува является наличие турбокомпрессора, интеркулера и новых конструктивных элементов управления.

Турбокомпрессор (другое наименование – турбонагнетатель, газотурбинный нагнетатель) является основным конструктивным элементом турбонаддува и обеспечивает повышение давления воздуха во впускной системе. Конструкция турбокомпрессора объединяет два колеса — турбанное и компрессорное, расположенные на валу ротора. Каждое из колес, а также вал с подшипниками помещены в отдельные корпуса.

Турбинное колесо воспринимает энергию отработавших газов. Колесо вращается в корпусе специальной формы. Турбинное колесо и корпус турбины изготавливаются из жаропрочных материалов (сплавы, керамика).

Компрессорное колесо всасывает воздух, сжимает и нагнетает его в цилиндры двигателя. Компрессорное колесо также вращается в специальном корпусе.

Турбинное и компрессорное колеса жестко закреплены на валу ротора. Вал вращается в подшипниках скольжения. Подшипники плавающего типа, т.е. имеют зазор со стороны корпуса и вала. Подшипники смазываются моторным маслом системы смазки двигателя. Масло подается по каналам в корпусе подшипников. Для герметизации масла на валу установлены уплотнительные кольца.

В некоторых конструкциях бензиновых двигателей для улучшения охлаждения дополнительно к смазке применяется жидкостное охлаждение турбонагнетателей. Курпус подшипников турбонагнеталея включен в двухконтурную систему охлаждения двигателя.

Интеркулер предназначен для охлаждения сжатого воздуха. За счет охлаждения сжатого воздуха повышается его плотность и увеличивается давление. Интеркулер представляет собой радиатор воздушного или жидкостного типа .

Основным элементом управления системы турбонаддува является регулятор давления наддува, который представляет собой перепускной клапан (вейстгейт, wastegate). Клапан ограничивает энергию отработавших газов, направляя их часть в обход турбинного колеса, тем самым обеспечивает оптимальное давление наддува. Клапан имеет пневматический или электрический привод. Срабатывание перепускного клапана производится на основании сигналов датчика давления наддува системой управления двигателем.

В воздушном тракте высокого давления (после компрессора) может устанавливаться предохранительный клапан. Он защищает системы от скачка давления воздуха, который может произойти при резком закрытии дроссельной заслонки. Избыточное давление может стравливаться в атмосферу с помощью блуофф-клапана (blowoff) или перепускаться на вход компрессора с помощью байпас-клапана (bypass).

Принцип работы системы турбонаддува

Работа системы турбонаддува основана на использовыании энергии отработавших газов. Отработавшие газы вращают турбинное колесо, которое через вал ротора вращает компрессорное колесо. Компрессорное колесо сжимает воздух и нагнетает его в систему. Нагретый при сжатии воздух охлаждается в интеркулере и поступает в цилиндры двигателя.

Несмотря на то, что турбонаддув не имеет жесткой связи с коленчатым валом двигателя, эффективность работы системы во многом зависит от числа оборотов двигателя. Чем выше частота вращения коленчатого вала двигателя, тем выше энергия отработавших газов, быстрее вращается турбина, больше сжатого воздуха поступает в цилиндры двигателя.

В силу конструкции, турбонаддув имеет ряд негативных особенностей, среди которых с одной стороны задержка увеличения мощности двигателя при резком нажатии на педаль газа, т.н. «турбояма» (turbolag), с другой — резкое увеличение давления наддува после преодоления «турбоямы», т.н. «турбоподхват».

«Турбояма» обусловлена инерционностью системы (для повышения давления наддува при резком нажатии на педаль газа требуется определенное время), которая приводит к несоответствию между потребной мощностью и производительностью компрессора. Существует несколько способов решения данной проблемы:

  1. применение турбины с изменяемой геометрией;
  2. использование двух последовательных или параллельных турбокомпрессоров (twin-turdo или bi-turdo);
  3. комбинированный наддув.

Турбина с изменяемой геометрией (VNT – турбина) обеспечивает оптимизацию потока отработавших газов за счет изменения площади входного канала. Турбины с изменяемой геометрией нашли широкое применение в турбонаддуве дизельных двигателей, к примеру турбонаддув двигателя TDI от Volkswagen.

Система с двумя параллельными турбокомпрессорами применяется в основном на мощных V-образных двигателях (по одному на каждый ряд цилиндров). Принцип работы системы основан на том, что две маленькие турбины обладают меньшей инерцией, чем одна большая.

При установке на двигатель двух последовательных турбин максимальная производительность системы достигается за счет использования разных турбокомпрессоров на разных оборотах двигателя. Некоторые производители идут еще дальше и устанавливают три последовательных турбокомпрессора — triple-turbo (BMW) и даже четыре турбокомпрессора — quad-turbo (Bugatti).

Комбинированный наддув (twincharger) объединяет механический и турбонаддув. На низких оборотах коленчатого вала двигателя сжатие воздуха обеспечивает механический нагнетатель. С ростом оборотов подхватывает турбокомпрессор, а механический нагнетатель отключается. Примером такой системы является двойной наддув двигателя TSI от Volkswagen.

Принцип работы турбокомпрессора дизельного двигателя

Турбокомпрессор дизельного мотора выполняет важную функцию: нагнетание под давлением воздушного потока в цилиндры двигателя. Чем больше будет проходить воздуха, тем выше показатель мощности агрегата. Устройство состоит из двух элементов:

  • турбина;
  • компрессор.

Конструкция турбины представляет собой прочный корпус, внутри которого расположен ротор. Они изготавливаются из прочных материалов, так как подвергаются воздействию высоких температур.

Признаки возникновения проблем с турбиной дизельного двигателя

Как и любая составляющая агрегата, турбина повергается физическому износу и периодически ломается. При возникновении любых неполадок целесообразно обратиться к специалистам, чтобы избежать более серьёзных проблем.

Турбина – технически сложный аппарат, который нагнетает мощность. При появлении проблем наблюдаются следующие признаки:

  • увеличение расхода или большая утечка масла;
  • изменение цвета дыма;
  • появление шума в дизельном моторе;
  • значительное увеличение объёма дыма;
  • регулярные или постоянные перегревы;
  • снижение показателя мощности;
  • увеличение расхода топлива;
  • уменьшение скорости набора оборотов;
  • появление токсичного запаха;
  • наличие свиста и других посторонних шумов в турбине и т.д.

Как работает турбокомпрессор дизельного двигателя

Появление любого признака является серьёзным поводом для профессиональной диагностики мотора и проведения требуемых ремонтных работ.

Перечень основных проблем турбины

На первоначальном этапе при возникновении любых проблем с устройством следует выяснить причины их формирования. С технической точки зрения, турбина – надёжное устройство, которое рассчитано на длительный период эксплуатации.

При фактической работе оно тесно взаимодействует и подвергается влиянию многих систем дизельного автомобиля или другого агрегата. Поэтому состояние турбины зависит от степени исправности других узлов, деталей и механизмов.

Устройство особенно нуждается в безупречном функционировании систем топлива, смазки, охлаждения, вентиляции и т.д. при высоких нагрузках.

Основная проблема турбины дизеля заключается в утечке и увеличении расхода масла. Если горюче-смазочный материал заканчивается, то основные рабочие поверхности начинают стираться. Аппарату достаточно проработать несколько секунд без масла, чтобы полностью выйти из строя. В таких ситуациях ремонт невозможен и возникает необходимость в замене турбины, что сопровождается внушительными материальными затратами.

Читать еще:  Хлопки из выхлопной трубы на холодный двигатель

Турбокомпрессор дизельного мотора

Специалисты выделяют ещё три проблемы, которые приводят к выходу из строя аппарата:

  • Грязное масло. Любое смазочное вещество, которое используется в двигателе внутреннего сгорания, обладает конкретным сроком службы. При работе масло подвергается загрязнению сажей, которая образуется в результате сгорания топлива и самого ГСМ.
  • Масляный фильтр не способен полностью очистить смазочное вещество. Рекомендуется менять масло каждые 10 000 км пробега, если речь идёт о дизельном автомобиле.
  • Недостаточный объем масла, которое пропускается через турбину. В турбокомпрессоре, где корпус является неохлаждаемым, смазочный материал выполняет дополнительную функцию: отведение тепла от турбинных подшипников и вала со стороны выхлопного коллектора. Если проходимость масла уменьшается, то резко возрастает температура внутри корпуса. В таких ситуациях ГСМ сворачивается.

Причинами недостаточного пропускаемого объёма масла являются поломки в масляном насосе, редукционном клапане или возникновение дефектов на трубках подачи и отвода смазочного вещества. Специалисты рекомендуют использовать специальные смазочные составы, которые предназначены именно для турбин дизельного двигателя.

Попадание инородных предметов в зону всасывания. Нередко устройство выходит из строя из-за попадания пыли, насекомых и т.д. в колесо компрессора. Происходит снижение производительности. При попадании крупных предметов, например, камня, возникают более серьёзные повреждения. При этом турбина начинает издавать нехарактерные звуки и повергается разрушению.

При поломке устройства не всегда необходимо осуществлять его замену. Во многих случаях сформировавшуюся проблему можно легко решить. Для этого необходимо своевременно обратиться к специалистам и регулярно осуществлять профилактический осмотр.

Плюсы и минусы механических автомобильных турбин

Для оптимизации показателей мощности двигателя используют механические компрессоры, электрические турбины и турбо-нагнетатели, функционирующие от отработанных газов. Это самый первый вид, применяемый в автомобилестроении, он был предложен конструкторами компании «Мерседес». Компрессор подключается к двигателю: вал нагнетателя и вращающийся коленчатый механизм объединяются с помощью ременной передачи.

После запуска двигателя создающееся вращение затрагивает и компрессор, в результате последний тоже начинает функционировать – направляет воздух в цилиндры. Такой вид устройства не может обеспечить более 20 тыс. оборотов в минуту.

  • простая конструкция, отличающаяся высокой надёжностью;
  • если агрегат точно настроен, он не требует специфического ухода;
  • отсутствует эффект турбоямы (сбой в ходе ускорения автомобиля на низких оборотах);
  • работа не сопровождается чрезмерным нагреванием;
  • неограниченный эксплуатационный ресурс;
  • возможность самостоятельной установки.

Главным недостатком механической турбины является невозможность увеличения мощности двигателя авто выше чем на 10%, по уровню производительности эта конструкция значительно уступает электрическим и газовым нагнетателям. Решение постепенно устаревает, его всё реже используют при конвейерном производстве.

Турбо-нагнетатель – классический метод усовершенствования

Устройство использует отработанные газы, является самым распространённым и эффективным видом турбин. Главным его достоинством является высокая производительность – верхняя планка оборотов вала составляет 200 тыс. в минуту.

В глушителе происходит перемещение от двигателя отработанных газов, они поступают под давлением. Благодаря присутствию специального отвода потоки направляются на крыльчатку турбины, вызывая её раскручивание. На этом же валу присутствует ещё одна крыльчатка, она находится с другой стороны, при её раскручивании происходит нагнетание воздушных масс в цилиндры двигателя.

Так как решение продуцирует высокие показатели оборотов вала, работа устройства происходит в условиях высоких температур, выхлоп может нагреваться до 900-950°С. Экстремальные рабочие условия объясняют ограниченность эксплуатационного ресурса турбины.

После 150-200 км в таком режиме необходима её замена, ремонт потребует изрядных финансовых вложений. Для смазки подшипников вала используется моторное масло, когда турбина достигает больших оборотов, оно проникает в камеру, что вызывает увеличенный расход.

  • он не объединяется с двигателем;
  • показывает высокую производительность на фоне механических конкурентов;
  • имеет повсеместную распространённость, нет проблем с поиском запчастей.
  • небольшой эксплуатационный срок;
  • усиленный расход моторного масла;
  • использование сопровождается турбоямами;
  • функционирование в высокотемпературном режиме.

Автомобильный турбокомпрессор в разборе

Решение предъявляет высокие требования к качеству топлива, если оно установлено на старой модели автомобиля, необходим турботаймер – он контролирует период остывания после работы. Несмотря на обилие проблем, сопровождающих эксплуатацию турбо-нагнетателя, он востребован из-за существенного увеличения мощности двигателя. Сейчас крупные автомобильные концерны, прежде всего, немецкие, заняты усовершенствованием его конструкции.

Разница между нагнетателем и компрессором

Оба решения выполняют одну функцию – способствуют всасыванию воздуха и направляют его в камеру сгорания автомобильного двигателя. Отличие заключается лишь в системах их питания.

Работа турбокомпрессора инициируется ременным приводом, благодаря ему крутящий момент передаётся турбине от двигателя. Процесс аналогичен тому, как силовой агрегат за счёт системы роликов и ремней передаёт крутящий момент электрогенератору, заряжающему аккумулятор. Турбины в виде наддува, нагнетателей функционируют на базе выхлопных газов: кислород под давлением направляется в камеру сгорания, провоцируя усиление крутящего момента двигателя.

Особенности электрической категории турбин

Перспективная разработка, только начинающая продвижение в отрасли. Её активно берут на вооружение ведущие мировые производители авто, согласно прогнозам, в течение ближайшего десятилетия электрические вариации способны завоевать весь рынок. Секретом успеха является объединение сильных сторон механических вариаций и газовых нагнетателей – это использование технологий компрессора наряду с высокой производительностью.

Принцип работы электротурбины основывается на применении мощного электродвигателя, выдающего высокие обороты – на уровне 200-300 тыс. в минуту. Это средние показатели, разработаны типы, продуцирующие до 1 млн. оборотов в минуту. Устройство внедряется в турбину, что ведёт к существенному увеличению мощности двигателя авто.

Важно, что производительность связки не будет зависима от выхлопного потока и коленчатого вала, притом встраиваемые электродвигатели обладают неиссякаемым ресурсом. Преимущества турбины:

  • высокая результативность работы;
  • вариативность монтажа;
  • нейтрализация эффекта турбоямы;
  • относительная самостоятельность в автомобильных системах.

Единственным значимым недостатком является тот факт, что работа турбины сопровождается интенсивным потреблением электричества, в большинстве случаев ресурсов штатного генератора здесь не хватает. Если не хочется уменьшить ожидаемую производительность турбины, установка маломощного электродвигателя не станет решением проблемы, выходом может послужить внедрение дополнительных генераторов.

Вне зависимости от вида для увеличения срока службы необходимо регулярно проводить диагностику турбин, важна своевременная замена воздушного фильтра и моторного масла – даже малейшие загрязнения способны подорвать работоспособность решения. Это правило особенно актуально на фоне некачественного топлива, предлагаемого в отечественном сегменте.

Устройство и принцип работы турбокомпрессора

Мощность, развиваемая двигателем внутреннего сгорания, зависит от количества топлива и воздуха, поступающего в двигатель. Мощность двигателя возможно повысить за счет увеличения объема этих составляющих.

Постоянная гонка инженеров за увеличением мощности ДВС привела к появлению турбокомпрессоров. Данное решение оказалось самым эффективным как на бензиновых, так и на дизельных моторах. Становится вполне очевидным, что итоговая мощность ДВС пропорциональна количеству топливовоздушной рабочей смеси, которая попадает в цилиндры двигателя.

Закономерно, что двигатель с большим объемом способен пропускать больше воздуха и тем самым выдавать больше мощности сравнительно с двигателем меньшего объема. Если перед нами стоит задача добиться от малообъемного ДВС такой же мощности, которую демонстрируют моторы большего объема, тогда необходимо принудительно уместить как можно больше воздуха в цилиндрах такого двигателя.

То есть увеличение подачи топлива бессмысленно, если не увеличивается поступление воздуха, необходимого для его сгорания. Поэтому воздух, поступающий в цилиндры двигателя, приходится сжимать. Система принудительной подачи воздуха может работать, используя энергию отработанных газов или с применением механического привода.

Турбокомпрессор или турбонагнетатель — устройство, предназначенное для нагнетания воздуха в двигатель с помощью энергии выхлопных газов. Основные части турбокомпрессора — турбина и центробежный насос, которые связывает между собой общая жесткая ось. Эти элементы вращаются со скоростью — около 100.000 об/мин, приводя в действие компрессор.

Устройство турбокомпрессора

Устройство турбокомпрессора: 1 — корпус компрессора; 2 — вал ротора; 3 — корпус турбины; 4 — турбинное колесо; 5 — уплотнительные кольца; 6 — подшипники скольжения; 7 — корпус подшипников; 8 — компрессорное колесо.

Турбинное колесо вращается в корпусе, имеющем специальную форму. Оно выполняет функцию передачи энергии отработавших газов компрессору. Турбинное колесо и корпус турбины изготавливают из жаропрочных материалов (керамика, сплавы).

Компрессорное колесо засасывает воздух, сжимает его и затем нагнетает его в цилиндры двигателя. Оно также находится в специальном корпусе.

Компрессорное и турбинное колеса установлены на валу ротора. Вращение вала происходит в подшипниках скольжения. Используются подшипники плавающего типа, то есть зазор имеют со стороны корпуса и вала. Моторное масло для смазки подшипников поступает через каналы в корпусе подшипников. Для герметизации на валу устанавливаются уплотнительные кольца.

Читать еще:  Форд фокус не заводится при горячем двигателе

Для лучшего охлаждения турбонагнетателей в некоторых бензиновых двигателях применяется дополнительное жидкостное охлаждение.

Для охлаждения сжимаемого воздуха предназначен интеркулер — радиатор жидкостного или воздушного типа. За счет охлаждения увеличивается плотность и соответственно давление воздуха.

В управлении системой турбонаддува основным элементом является регулятор давления. Это перепускной клапан, который ограничивает поток отработавших газов, перенаправляя часть его мимо турбинного колеса, обеспечивая нормальное давление наддува.

Принцип работы

В своей работе турбокомпрессор использует энергию отработавших газов. Эта энергия вращает турбинное колесо. Затем это вращение через вал ротора передается компрессорному колесу. Компрессорное колесо нагнетает воздух в систему, предварительно сжав его. Охлажденный в интеркулере воздух подается в цилиндры двигателя.

Принцип работы турбокомпрессора

Хотя у турбокомпрессора нет жесткой связи с валом двигателя, эффективность работы турбонаддува зависит от частоты его вращения. Чем больше число оборотов двигателя, тем сильнее поток отработавших газов. Соответственно увеличивается скорость вращения турбины и количество поступающего в цилиндры воздуха.

При работе системы турбонаддува возникают некоторые негативные моменты.

• Задерживается увеличение мощности при резком надавливании на педаль газа («турбояма»).

• После выхода из «турбоямы» резко повышается давление наддува («турбоподхват»).

Явление «турбоямы» обусловлено инерционностью системы. Это влечет за собой несоответствие между производительностью турбокомпрессора и требуемой мощностью двигателя. Для решения этой проблемы существуют следующие способы:

• использование турбины с изменяемой геометрией;

• применение двух параллельных или последовательных компрессоров;

Турбина с изменяемой геометрией оптимизирует поток отработавших газов, изменяя площадь входного канала. Широко применяется в дизельных двигателях.

Турбина с изменяемой геометрией

Турбина с изменяемой геометрией: 1 — направляющие лопатки; 2 — кольцо; 3 — рычаг; 4 — тяга вакуумного привода; 5 — турбинное колесо.

Параллельно работающие турбокомпрессоры применяют для мощных V-образных двигателей (по одному на ряд цилиндров). Эта схема помогает решить проблему за счет того, что у двух маленьких турбин инерция меньше, чем у одной большой.

Установка 2-х последовательных турбин позволяет достичь максимальной производительности, используя разные компрессоры при разных оборотах двигателя.

При комбинированном наддуве применяется и механический, и турбонаддув. При работе двигателя на низких оборотах работает механический нагнетатель. При увеличении оборотов включается турбокомпрессор, а механический нагнетатель останавливается.

Преимущества и недостатки турбонаддува

1. Турбокомпрессор широко используется ввиду простоты конструкции и хороших эксплуатационных параметров. Турбонаддув позволяет увеличить мощность двигателя на 20-35%. Двигатель, вырабатывая повышенные крутящие моменты на средних и высоких оборотах, увеличивает скорость и экономичность автомобиля.

2. Турбокомпрессор в большинстве случаев не может быть причиной неисправностей двигателя, так как его работа зависит от работоспособности газораспределительной, воздушной и топливной систем.

3. Двигатель с турбокомпрессором имеет меньший выброс вредных газов в атмосферу, так как вырабатываются дополнительные выхлопные газы в двигатель. У сгораемого топлива становится меньше отходов.

4. Происходит экономия топлива на 5-20%. В небольших двигателях энергия сжигаемого топлива используется эффективней, увеличивается КПД.

5. На высокогорных дорогах такие двигатели работают более стабильно и с меньшими потерями мощности, чем их атмосферные аналоги.

6. Турбокомпрессор сам по себе является глушителем шума в системе выпуска.

Недостатки турбонаддува

У турбированных двигателей кроме возникновения явлений «турбояма» и «турбоподхват» есть и другие недостатки.

Обслуживание их дороже в сравнении с «классическими». При эксплуатации приходится применять моторное масло специального назначения — его приходится регулярно менять. Двигатель с турбокомпрессором перед пуском должен несколько минут проработать на холостых оборотах. Также сразу не рекомендуется глушить мотор до остывания турбины.

Дополнительные элементы системы турбонаддува

Blow-Off

Если говорить о конкретных модификациях мотора, а также о компоновке различных элементов в подкапотном пространстве, турбокомпрессор может иметь ряд дополнительных элементов. Мы уже упоминали такие детали системы, как Wastegate и Blow-Off. Давайте рассмотрим их более подробно.

Клапан Blow-off

Блоу-офф представляет собой перепускной клапан. Данное устройство устанавливается в воздушной системе. Местом расположения становится участок между выходом из компрессора и дроссельной заслонкой. Главной задачей блоу-офф клапана становится предотвращение выхода компрессора на характерный режим работы surge.

Под таким режимом стоит понимать момент резкого закрытия дросселя. Если описать происходящее простыми словами, то скорость воздушного потока и сам расход воздуха в системе резко понижаются, но турбина еще определенное время продолжает вращение по инерции. Инерционно турбина вращается с той скоростью, которая уже больше не соответствует новым потребностям мотора и упавшему таким образом расходу воздуха.

Последствия после циклических скачков давления воздуха за компрессором могут быть плачевны. Явным признаком скачков является характерный звук воздуха, который прорывается через компрессор. С течением времени из строя выходят опорные подшипники турбины, так как они испытывают сильные нагрузки в момент указанных скачков давления при сбросе газа и последующей работе турбины в этом переходном режиме.

Блоуофф реагирует на разницу давлений в коллекторе и срабатывает благодаря установленной внутри пружине. Это позволяет выявить момент резкого перекрытия дросселя. Если дроссель резко закрылся, тогда блоу-офф осуществляет стравливание в атмосферу внезапно появившегося в воздушном тракте избытка давления. Это позволяет существенно обезопасить турбокомпрессор и уберечь его от избытка нагрузок и последующего разрушения.

Клапан Wastegate

Клапан Wastegate

Данное решение представляет собой механический клапан. Вестгейт установливают на турбинной части или же на самом выпускном коллекторе. Задачей устройства является обеспечение контроля за тем давлением, которое создает турбокомпрессор.

Стоит отметить, что некоторые дизельные силовые агрегаты используют в своей конструкции турбины без вейстгейта. Для моторов, которые работают на бензине, в большинстве случаев наличие такого клапана является обязательным условием.

Главной задачей вейстгейта становится обеспечение возможности беспрепятственного выхода для выхлопных газов из системы в обход турбины. Запуск части отработавших газов в обход позволяет осуществлять контроль за необходимым количеством энергии этих газов. Взаимосвязь очевидна, ведь именно выхлоп вращает через вал колесо компрессора. Данный способ позволяет эффективно управлять давлением наддува, которое создается в компрессоре. Наиболее частым решением становится контроль вейстгейта за давлением наддува, который осуществляется при помощи противодавления встроенной пружины. Такая конструкция позволяет контролировать обходной поток выхлопных газов.

• Вейстгейт может быть как встроенным, так и внешним. Встроенный вейстгейт конструктивно имеет заслонку, которая встроена в турбинный хаузинг. Хаузинг в народе попросту называют «улитка» турбины. Дополнительно wastegate имеет пневматический актуатор и тяги от данного актуатора к дроссельной заслонке.

• Гейт внешнего типа представляет собой клапан, который установлен на выпускной коллектор перед турбиной. Необходимо заметить, что внешний гейт имеет одно неоспоримое преимущество сравнительно со встроенным. Дело в том, что сбрасываемый им обходной поток можно возвращать обратно в выхлопную систему достаточно далеко от выхода из турбины, а на спортивных авто и вовсе осуществить прямой сброс в атмосферу. Это позволяет заметно улучшить прохождение отработавших газов через турбину благодаря тому, что наблюдается отсутствие разнонаправленных потоков. Все это очень важно применительно к ограниченному компактному объему «улитки».

Втулочные и шарикоподшипниковые турбины

Турбины втулочного типа были сильно распространены достаточно долгое время. Они имели ряд конструктивных недостатков, которые не позволяли в полной мере наслаждаться преимуществами турбомотора. Появление более эффективных шарикоподшипниковых турбин нового поколения постепенно вытесняет втулочные решения. Для примера можно упомянуть шарикоподшипниковые турбины Garrett, которые являются венцом инженерной мысли и используются на многих гоночных двигателях.

На сегодняшний день шарикоподшипниковые турбины являются оптимальным решением, так как требуют значительно меньшего количества масла сравнительно с втулочными аналогами. Учтите, что установка масляного рестриктора на входе в турбокомпрессор является очень желательной, особенно если давление масла в системе находится на отметке выше 4 атм. Осуществлять слив масла необходимо путем специального подвода в поддон, причем с учетом того, что слив должен быть выше уровня масла.

Всегда помните, что слив масла из турбины происходит самостоятельно и под действием силы гравитации. Знание этого диктует необходимость ориентирования центрального картриджа турбины так, чтобы слив масла был направлен вниз.

Тот показатель, который определяет реакцию турбины на нажатие педали газа, демонстрирует сильную зависимость от самой конструкции центрального картриджа турбины. Шарикоподшипниковые решения от Garrett способны на 15% быстрее выйти на наддув сравнительно с втулочными аналогами. Шарикоподшипниковые турбины снижают эффект турбо-ямы и делают использование турбомотора максимально похожим на езду с таким атмосферным двигателем, который имеет большой рабочий объем.

Шарикоподшипниковые турбины имеют еще один положительный момент. Такие турбины требуют заметно меньшего потока масла, которое проходит через картридж и осуществляет смазку подшипников. Решение ощутимо снижает вероятность возникновения утечки масла через сальники. Шарикоподшипниковые турбины не являются излишне требовательными к качеству масла, а также менее подвержены закоксовке после плановой или внезапной остановки двигателя.

Ссылка на основную публикацию
ВсеИнструменты
Adblock
detector