При каких оборотах включается турбина на дизеле

Система турбонаддува в двигателе автомобиля применяется для повышения мощности. Благодаря ей производители машин могут серьезно повысить возможности техники (скорость, грузоподъемность, проходимость) без серьезного наращивания массы и увеличения расхода топлива.

Ниже в этой статье мы ответим на вопросы как работает турбина дизельного авто? При каких оборотах она включается? А также развенчаем некоторые известные мифы, связанные с турбированными моторами. Узнать больше о работе системы турбонаддува пользователи могут перейдя на сайт компании КТСрвис, также здесь можно заказать услугу по ремонту и обслуживанию дизельных моторов с турбинами.

Основные принципы работы турбодвигателя.

Как известно, мощность двигателя пропорциональна количеству топливовоздушной смеси, попадающей в цилиндры. При прочих равных, двигатель большего объема пропустит через себя больше воздуха и, соответственно, выдаст больше мощности, чем двигатель меньшего объема. Если нам требуется, чтобы маленький двигатель выдавал мощности как большой или мы просто хотим, чтобы большой выдавал еще больше мощности, нашей основной задачей станет поместить больше воздуха в цилиндры этого двигателя. Естественно, мы можем доработать головку блока и установить спортивные распредвалы, увеличив продувку и количество воздуха в цилиндрах на высоких оборотах. Мы даже можем оставить количество воздуха прежним, но поднять степень сжатия нашего мотора и перейти на более высокий октан топлива, тем самым подняв КПД системы. Все эти способы действенны и работают в случае, когда требуемое увеличение мощности составляет 10-20%. Но когда нам нужно кардинально изменить мощность мотора — самым эффективным методом будет использование турбокомпрессора. Каким же образом турбокомпрессор позволит нам получить больше воздуха в цилиндрах нашего мотора? Давайте взглянем на приведенную ниже диаграмму:

Устройство системы турбонаддува

Система турбонаддува состоит из двух частей: из турбины и турбокомпрессора. Турбина служит для преобразования энергии отработанных газов, а компрессор – непосредственно для подачи многократно сжатого атмосферного воздуха в рабочие полости цилиндров. Главные детали системы – два лопастных колеса, турбинное и компрессорное (так называемые «крыльчатки»). Турбокомпрессор представляет собой технологичный насос для воздуха, приводимый в действие вращением ротора турбины. Единственная его задача – нагнетание сжатого воздуха в цилиндры под давлением.

Чем больше воздуха поступит в камеру сгорания, тем большее количество солярки дизель сможет сжечь за конкретную единицу времени. Результат – существенное увеличение мощности мотора, без необходимости наращивания объёма его цилиндров.

Составные части устройства турбонаддува:

• корпус компрессора;
• компрессорное колесо;
• вал ротора, или ось;
• корпус турбины;
• турбинное колесо;
• корпус подшипников.

Основа системы турбонаддува – это ротор, закреплённый на специальной оси и заключённый в особый жаропрочный корпус. Беспрерывный контакт всех составных частей турбины с чрезвычайно раскалёнными газами определяет необходимость создания как ротора, так и корпуса турбины из специальных жаропрочных металлосплавов.

Крыльчатка и ось турбины вращаются с очень высокой частотой и в противоположных направлениях. Это обеспечивает плотный прижим одного элемента к другому. Поток отработанных газов проникает вначале в выпускной коллектор, откуда попадает в специальный канал, что расположен в корпусе турбо-нагнетателя. Форма его корпуса напоминает панцирь улитки. После прохождения этой «улитки» отработанные газы с разгоном подаются на ротор. Так и обеспечивается поступательное вращение турбины.

Ось турбонагнетателя закреплена на специальных подшипниках скольжения; смазка осуществляется подачей масла из системы смазки моторного отсека. Уплотнительные кольца и прокладки препятствуют утечкам масла, а также прорывам воздуха и отработанных газов, а также их смешиванию. Конечно, полностью исключить попадание выхлопа в сжатый атмосферный воздух не удаётся, но в этом и нет большой необходимости…

Рассмотрим основные этапы прохождения воздуха в двигателе с турбокомпрессором:

— Воздух проходит через воздушный фильтр (не показан на схеме) и попадает на вход турбокомпрессора (1) — Внутри турбокомпрессора вошедший воздух сжимается и при этом увеличивается количество кислорода в единице объема воздуха. Побочным эффектом любого процесса сжатия воздуха является его нагрев, что несколько снижает его плотность. — Из турбокомпрессора воздух поступает в интеркулер (3) где охлаждается и в основной мере восстанавливает свою температуру, что кроме увеличения плотности воздуха, ведет еще и к меньшей склонности к детонации нашей будущей топливовоздушной смеси. — После прохождения интеркулера воздух проходит через дроссель, попадает во впускной коллектор (4) и дальше на такте впуска — в цилиндры нашего двигателя. Объем цилиндра является фиксированной величиной, обусловленной его диаметром и ходом поршня, но так как теперь он заполняется сжатым турбокомпрессором воздухом, количество кислорода зашедшее в цилиндр становится значительно больше чем в случае с атмосферным мотором. Большее количество кислорода позволяет сжечь большее количество топлива за такт, а сгорание большего количества топлива ведет к увеличению мощности выдаваемой двигателем. — После того как топливо-воздушная смесь сгорела в цилиндре, она на такте выпуска уходит в выпускной коллектор (5), где этот поток горячего (500С-1100С) газа попадает в турбину (6) — Проходя через турбину, поток выхлопных газов вращает вал турбины на другой стороне которого находится компрессор, и, тем самым совершает работу по сжатию очередной порции воздуха. При этом происходит падение давления и температуры выхлопного газа, поскольку часть его энергии ушла на обеспечение работы компрессора через вал турбины.

Какие обороты турбины двигателя

Всем доброго времени суток. По скольку я не так давно стал обладателем турбированной машины задался вопросом правильно эксплуатации турбины, дабы обезопасить себя от поломок и продлить срок службы как турбины так и двигателя в целом. В данном посте я постарался максимально выжать всё самое важное из всех статей которые я читал про турбины и изложить их для вас в О турбинах в целом

Турбины устанавливают как на бензиновые, так и на дизельные двигатели. Некоторые производители используют турбины низкого наддува. Давление, которое создает такая турбина, невысокое, ее основная цель заключается в создании турбулентных потоков воздуха, которые способствуют более качественному смешиванию бензина с топливом. Турбины высокого давления гораздо эффективнее. У моторов с турбиной высокого давления литровая мощность может быть в полтора раза выше, чем у атмосферного аналога. Но ее конструкция немного сложнее. Для того чтобы излишнее давление на высоких оборотах не повредило двигателю, инженеры придумали специальный клапан для устранения избыточного давления. Для многих турбомоторов обязательным атрибутом является интеркулер. Его задача – охлаждать воздух, нагретый турбиной. В холодном воздухе содержится больше кислорода при равном объеме. Современные системы впрыска позволяют практически полностью избавиться от такого явления, как «турбояма» (провал мощности при резком нажатии газа), характерного для двигателей более старой конструкции. В процессе эволюции турбин фактически все недостатки турбомоторов были исключены. Многие как за счет использование двух турбин для низких и высоких оборотов, так и за счет применения турбин с переменной производительностью – такие турбины имеют возможность менять наклон нагнетающих (компрессионных) лопастей. В итоге получили моторы высокой литровой мощности при компактных размерах самих агрегатов.
О работе турбины
Лопасти турбины под воздействием выхлопных газов вращаются с огромной скоростью — более ста тысяч оборотов в минуту. Ось, которая приводится в движение ведущей крыльчаткой, крепится с помощью подшипников скольжения к корпусу турбины. Для смазки подшипников используется моторное масло, которое подается под давлением. Как только двигатель перестает работать, давление масла резко падает, а обе крыльчатки, ведущая и нагнетающая, продолжают по инерции вращаться. Подшипники вала, на который насажены обе крыльчатки, оказываются без смазки. Вследствие таких перегрузок турбина начинает «кушать» масло. Через увеличившийся зазор смазка просачивается под нагнетающей крыльчаткой и попадает во впускной коллектор, а потом сгорает в цилиндрах. При сильном увеличении зазора турбина начинает выть. К тому же турбина не может долго держать высокие обороты без поступления соответствующего количества отработанных газов. Поэтому износ от масленного «голодания» в подшипнике качения сопровождается и другими побочными факторами. Например: после продолжительной работы двигателя с приличной отдачей мощности корпус турбины сильно разогревается от большого количества проходящих через неё раскаленных отработанных газов. Чаще всего турбина охлаждается протоком того же моторного масла. Если прекратить поступление этого потока, при остановке двигателя, обязательно происходит пригорание остатков смазки к деталям турбины, что приведет, со временем к накоплению нагара и неизбежному износу деталей. В этом случае справедливо принять решение к применению более качественного масла, будет больше шансов выжить. Хорошим решением для сохранения работоспособности турбины будет применение так называемого турбо-таймера. Устройство обеспечивает автоматическую задержку выключения двигателя после выключения зажигания на время, достаточное для того чтобы детали турбонадува успели остыть. Многие модели турбо-таймеров имеют даже индикацию температуры турбины и времени необходимого на остывание турбины. Турбо-таймер можно использовать как отдельно, так и совместно с автосигнализацией. Недостатком использования служит то, что при возможности перегрева турбины таймер может ее отключить в самый неподходящий момент. И приходится контролировать помимо скорости еще и работу турбины.
О поломках
ПОВРЕЖДЕНИЯ ПРИ ПОПАДАНИИ ИНОРОДНЫХ ЧАСТИЦ Повреждения, появившиеся в результате попадания инородных предметов через корпус турбины или компрессора. Такие повреждения явно видны на крыльчатке турбины и крыльчатке компрессора. Запрещено использовать турбокомпрессор с поврежденными крыльчатками, т.к. Повреждения вызывают дисбаланс ротора, что может привести к полному разрушению турбокомпрессора и привести к серьезной поломке двигателя.

НЕДОСТАТОЧНАЯ ПОДАЧА МАСЛА Недостаток подачи масла может иметь следующие причины: • неквалифицированная установка турбокомпрессора; • длительный простой мотора; • повреждена или засорена маслоподающая трубка; • низкое давление масла вследствии неисправностей в системе смазки; • низкий уровень масла или его отсутствие в картере; • использование герметиков, которые могут попадать в маслоподающие каналы и блокировать или ограничивать поступление масла; • незаполненный маслом масляный фильтр при смене масла (желательно «прокрутить» мотор, чтобы создать давление масла); • старт мотора при еще неполностью заполненных масляных каналах.

ЗАГРЯЗНЕННОЕ МАСЛО Повреждения из-за загрязненного масла Обычно выглядят как глубокие царапины на подшипниках и валу. Для предупреждения таких повреждений используйте качественное масло и фильтры, рекомендованные ОЕ производителем. Помимо регламентных ТО согласно спецификации автомобиля, масло и фильтры обязательно нужно менять при смене турбокомпрессора. Причины повреждения из-за грязного масла могут быть такие: • поврежденный, забитый или низкого качества масляный фильтр; • грязь, попавшая во время сервисных работ; • износ двигателя или частицы износа; • не работающий перепускной клапан масляного фильтра; • масло с пониженными смазочными свойствами.

КАРБОНОВЫЙ НАЛЁТ Неисправности, вызванные образование карбонового налета Налет возникает вследствии повышенной температуры выхлопа или остановки мотора сразу после прекращения движения. Рекомендуется перед выключением мотора дать ему поработать 2-3 минуты на холостом ходу, чтобы система подшипников турбокомпрессора успела остыть. Жар со стороны турбины проникает в корпус подшипника, что вызывает карбонизацию масла и отложения в системе подшипников. Основные повреждения получают вал в районе маслоупорного кольца, ближний к турбине подшипник, блокируются масляные каналы в корпусе подшипника. озможные причины карбонизации масла: • остановка мотора сразу после прекращения движения; • низкое качество масла; • нерегулярная смена масла приводит к его порче; • утечки воздуха и выхлопа; • неполадки в топливной системе (форсунки, насосы и т.д.)

Blow-off

Блоуофф (перепускной клапан) — это устройство установленное в воздушной системе между выходом из компрессора и дроссельной заслонкой с целью не допустить выход компрессора на режим surge. В моменты, когда дроссель резко закрывается, скорость потока и расход воздуха в системе резко падает, при этом турбина еще некоторое время продолжает вращаться по инерции со скоростью не соответствующей новому упавшему расходу воздуха. Это вызывает циклические скачки давления за компрессором и слышимый характерный звук прорывающегося через компрессор воздуха. Surge со временем приводит к выходу из строя опорных подшипников турбины, ввиду значительной нагрузки на них в этих переходных режимах. БлоуОфф использует комбинацию давлений в коллекторе и установленной в нем пружины чтобы определить момент закрытия дросселя. В случае резкого закрытия дросселя блоуофф сбрасывает в атмосферу возникающий в воздушном тракте избыток давления и тем самым спасает турбокомпрессор от повреждения.

Почему турбина может не включиться – неисправности

При управлении машиной с системой турбонаддува водитель может столкнуться с множеством проблем и неисправностей. Рассмотрим основные проблемы и методы их решения:

• Неисправность предохраняющего клапана. Бывает, что клапан забивается мусором или растрескивается, что приводит к блокировке работы турбины. Установить поломку достаточно просто – примерно до 3-4 тысяч оборотов клапан все еще может работать, поэтому он будет нагнетать воздух. Однако при превышении этого показателя он резко закрывает турбину, что приводит к падению мощности. Чтобы решить проблему, выключите электронные системы авто, откройте капот, отсоедините отрицательную клемму от аккумулятора, найдите турбину, отключите систему смазки и демонтируйте устройство (обычно оно располагается рядом с движком). Потом снимите клапан и осмотрите его, при необходимости – выполните очистку устройства или его замену.
• Негерметичное крепление компонентов турбонаддува. Чтобы обеспечить максимальную мощность нагнетания воздуха в ДВС, необходимо, чтобы детали турбины герметично крепились к автомобилю. В случае негерметичного крепления мощность нагнетания резко падает. Установить наличие проблемы можно по двум признакам – резкое снижение мощности и появление характерного свиста во время работы авто. Чтобы разобраться с проблемой, нужно обесточить машину, открыть капот и проверить герметичность крепления прибора. Проблемы могут возникнуть с штуцером, трубкой подачи масла, клапаном и так далее. Для устранения проблемы нужно восстановить герметичность (например, если проблема в штуцере, нужно купить новый).
• Использование плохого масла. Для эффективной работы системы турбонаддува устройство необходимо смазывать маслом. Однако бывает так, что водитель для смазки использует дешевое некачественное масло с обилием примесей – в таком случае эффективность турбонаддува значительно снизится. Установить проблему очень просто – во время движения авто в машине появляется резкий громкий скрежет, а мощность двигателя не увеличивается при разгоне до высоких скоростей. Решение проблемы – нужно купить новое качественное масло и залить его вместо старого в автомобиль.

Wastegate:

Представляет собой механический клапан установленный на турбинной части или на выпускном коллекторе и обеспечивающий контроль за создаваемым турбокомпрессором давлением. Некоторые дизельные моторы используют турбины без вейстгейтов. Тем не менее, подавляющее большинство бензиновых моторов обязательно требуют его наличия. Основной задачей вейстгейта является обеспечивать выхлопным газам возможность выхода из системы в обход турбины. Пуская часть газов в обход турбины, мы контролируем количество энергии газов, которое уходит через вал на компрессор и, тем самым, управляем давлением наддува, создаваемым компрессором. Как правило, вейстгейт использует давление наддува и давление встроенной пружины, что бы контролировать обходной поток выхлопных газов. Встроенный вейстгейт состоит из заслонки, встроенной в турбинный хаузинг (улитку), пневматического актуатора, и тяги от актуатора к заслонке. Внешний гейт представляет собой клапан, устанавливаемый на выпускной коллектор до турбины. Преимуществом внешнего гейта является то, что сбрасываемый им обходной поток может быть возвращен в выхлопную систему далеко от выхода из турбины или вообще сброшен в атмосферу на спортивных автомобилях. Все это ведет к улучшению прохождения газов через турбину ввиду отсутствия разнонаправленных потоков в компактном объеме турбинного хаузинга.

Как работает турбонаддув

Чтобы разобраться в работе турбонаддува, для начала следует уяснить понятия турбоподхвата и турбоямы.

Турбоподхват – ситуация, когда набравший скорость ротор увеличивает поступление воздуха в цилиндры, следствием чего становится повышение мощности двигателя.

Турбояма – момент небольшой задержки, наблюдаемый в работе турбины при увеличении количества поступившего горючего, что достигается нажатием на педаль газа. Задержка вызвана временем, которое нужно ротору для его разгона газами.

Турбонаддув увеличивает давление отработанных газов за счет более интенсивной работы двигателя. В то же самое время повышается и давление наддува: этот процесс требует контроля и регулировки, поскольку при достижении высоких значений велика вероятность поломки. Функции регулировки давления возложены на клапан, контролем предельно возможных значений занимаются мембрана и пружина с определенными значениями жесткости (когда достигается максимально допустимая величина, мембрана открывает клапан).

Работа турбины дизельного двигателя также требует контроля давления:

1. компрессор через клапан, дабы снизить давление, сбрасывает лишний забранный воздух;
2. когда давление поступившего воздуха достигает максимально допустимой величины, клапан выпускает газы, и ротор вращается с требуемой скоростью, а компрессор всегда забирает только нужное количество воздуха.

Водяное и масляное обеспечение:

Шарикоподшипниковые турбины Garrett требуют значительно меньше масла чем втулочные аналоги. Поэтому установка маслянного рестриктора на входе в турбину крайне рекомендована, если давление масла в вашей системе превышает 4 атм. Слив масла должен быть заведен в поддон выше уровня масла. Поскольку слив масла из турбины происходит естественным путем под действием гравитации, крайне важно, чтобы центральный картридж турбины был ориентирован сливом масла вниз. Частой причиной выхода из строя турбин является закоксовка маслом в центральном картридже. Быстрая остановка мотора после больших продолжительных нагрузок ведет к теплообмену между турбиной и нагретым выпускным коллектором, что в отсутствии притока свежего масла и поступления холодного воздуха в компрессор ведет к общему перегреву картриджа и закоксовке имеющегося в нем масла. Для минимизации этого эффекта турбины снабдили водяным охлаждением. Водные шланги обеспечивают эффект сифона снижая температуру в центральном картридже даже после остановки двигателя, когда нет принудительной циркуляции воды. Желательно также обеспечить минимум неравномерности по вертикали линии подачи воды, а также несколько развернуть центральный картридж вокруг оси турбины на угол до 25 градусов.

Мифы о турбонаддуве в двигателе

Среди водителей много мифов о работе системы турбонаддува. Рассмотрим основные стереотипы и узнаем, почему они ложные:

На самом деле турбина работает всегда, но при небольших оборотах уровень нагнетания воздуха будет низок из-за турбоподхвата.

Подведем итоги. Турбина (турбонаддув) – это вспомогательный элемент двигателя, с помощью которого осуществляется принудительное нагнетание воздуха в камеру внутреннего сгорания двигателя. Устройство запускается сразу же после активации двигателя, но действует правило – чем выше обороты, тем больше нагнетание (на низких оборотах нагнетание практически незаметно). Основные проблемы с турбиной – выход из строя клапана, негерметичное крепление запчасти, использование некачественного масла.

Выбор турбины.

Правильный подбор турбины является ключевым моментом в постройке турбомотора и основан на многих вводных данных. Самым основным фактом выбора является требуемая от мотора мощность. Важно также выбирать эту цифру максимально реалистично для вашего мотора. Поскольку мощность мотора зависит от количества топливовоздушной смеси, которая через него проходит за единицу времени, определив целевую мощность, мы приступим к выбору турбины способной обеспечить необходимый для этой мощности поток воздуха. Другим крайне важным фактором выбора турбины является скорость ее выхода на наддув и минимальные обороты двигателя, на которых это происходит. Меньшая турбина или меньший горячий хаузинг позволяют улучшить эти показатели, но максимальная мощность при этом будет снижена. Тем не менее, за счет большего рабочего диапазона работы двигателя и быстрого выхода турбины на наддув при открытии дросселя в целом результат может быть значительно лучше, чем при использовании большей турбины с большой пиковой мощностью, но в узком верхнем диапазоне работы мотора.

Как работает система турбонаддува дизельного автомобиля

Турбина представляет собой вспомогательный элемент ДВС (двигателя внутреннего сгорания). Она используется для принудительного нагнетания воздушных масс в рабочую часть мотора. Применение системы турбонаддува дает возможность повысить мощность силовой установки, увеличить скоростные характеристики автомобиля сохранив при этом стандартные нормы потребления топлива.

Рассмотрим, что собой представляет конструкция турбины и каковы основные принципы работы двигателя:

1. Автомобиль передвигается по дорогам используя энергию топлива, сжигаемого двигателем внутреннего сгорания.
2. Двигатель трансформирует энергию топлива в кинетическую, которая и запускает вращения колес машины.
3. В камере мотора кроме топлива также есть и кислород, без него сгорание топлива невозможно.
4. Кислород проникает в камеру силовой установки из атмосферы. Когда речь идет о маломощных агрегатах то у водителя не будет проблем. Он сможет выжимать из такого мотора все что возможно. Однако если у владельца авто есть желание ездить быстро тогда ему нужен агрегат способный увеличить и нарастить подачу кислорода и топлива в камеры. Если с топливом проблем нет (водитель имеет возможность регулировать его подачу с помощью форсунок). То вот нарастить подачу кислорода просто так невозможно. Один из вариантов решения проблемы увеличение камер мотора. Но в таком случае увеличиться также масса и габариты транспортного средства. Второй более экономичный и практичный способ – установка турбины.

Устройство и работа турбины:

1. Турбина представляет собой деталь, выполненную из металла в виде улитки. Ее устанавливают на выхлопной коллектор. Элемент может иметь разные габариты и вес все зависит от модели машины.
2. Внутри системы расположен специальный ротор в виде цилиндра с лопастями. Вовремя прохождения через ротор выхлопных газов запускается вращение турбины.
3. С помощью такого вращения происходит нагнетание воздушных масс в камеры силовой установки. Таким образом повышается уровень кислорода и увеличивается мощность агрегата.
4. Важным элементом системы турбонаддува является интеркулер. Он выполняет функцию охлаждения атмосферного воздуха. Это нужно чтобы увеличить плотность смеси топлива и кислорода.

Втулочные и шарикоподшипниковые турбины.

Втулочные турбины были самыми распространенными в течение долгого времени, тем не менее, новые и более эффективные шарикоподшипниковые турбины используются все чаще. Шарикоподшипниковые турбины появились как результат работы Garrett Motorsport во многих гоночных сериях. Отзывчивость турбины на дроссель в значительной степени зависит от конструкции центрального картриджа. Шарикоподшипниковые турбины Garrett обеспечивают на 15% более быстрый выход на наддув относительно их втулочных аналогов, снижая эффект турбо-ямы и приближая ощущение от турбо-мотора к атмосферному большеобъемнику. Шарикоподшипниковые турбины также требуют значительно меньшего потока масла через картридж для смазки подшипников. Это снижает вероятность утечек масла через сальники. Такие турбины менее требовательны к качеству масла и менее склонны к закоксовке после глушения двигателя.

Термин Trim.

Trim это общепринятый термин, используемый при описании турбинного или компрессорного колеса турбины. Например, вы часто могли слышать фразу У меня стоит турбина GT2871R с 56 Trim. Так что же это такое? Trim это величина, показывающая соотношение между индюсером (inducer) и эксдюсером (exducer) турбинного или компрессорного колеса. Еще более точно, это соотношение их площадей. Диаметр индюсера — это диаметр колеса крыльчатки в той ее части, где воздух входит в крыльчатку, а эксдюсер это диаметр колеса, где воздух из него выходит. Конструкция турбины такова, что индюсер компрессорного колеса меньше чем его эксдюсер, а турбинного — наоборот: Например: Турбина GT2871R (Garrett part number 743347-2) имеет компрессорное колесо с: Диаметр индюсера: 53.1мм Диаметр эксдюсера: 71.0мм Таким образом Trim для него будет: Trim крыльчатки, как компрессора, так и турбины напрямую влияет на ее производительность. Чем больше величина trim тем, как правило, больший поток воздуха может пройти через крыльчатку.

Понятие A/R хаузинга

A/R (Area/Radius) описывает геометрическую характеристику компрессорного или турбинного хаузинга. Технически A/R означает отношение сечения канала хаузинга, деленое на расстояние от центра вала до центра этого сечения: Значение A/R имеет разное влияние на производительность турбинной части и компрессорной. A/R компрессора практически не влияет на его производительность. Как правило, хаузинги с большим A/R применяются для оптимизации отдачи в приложениях с малым наддувом, а хаузинги с меньшим A/R компрессора используются для больших значений наддува. A/R турбины, наоборот, значительно влияет на ее производительность, определяя ее способность пропустить тот или иной поток воздуха. Использование меньшего A/R увеличивает скорость потока в турбинном хаузинге, приходящего на турбинное колесо. Это дает возможность увеличить отдачу турбины на низких нагрузках, приводит к более быстрому отклику на дроссель и снижает значение минимальных оборотов двигателя, требуемых для выхода турбины на рабочий наддув. Тем не менее, меньший A/R приводит к тому, что газ попадает на крыльчатку практически по касательной, что уменьшает максимальный поток газа который турбинное колесо способно пропустить. Это также увеличивает подпор газа перед турбиной, ухудшает продувку мотора на высоких оборотах, повышает EGT и как результат всего этого снижает максимальную пиковую мощность. При выборе конкретного хаузинга для вашего мотора, в любом случае приходится идти на компромисс балансируя между ранним наддувом и пиковой мощностью. Также надо учитывать внутреннюю конструкцию хаузинга. Далекая от оптимальной форма канала, неточности литья, возможные переходы с прямоугольного сечения на круглое — все это, в определенной, мере влияет на эффективность горячего хаузинга. Опытным путем установлено что, например, турбинные хаузинги TiAL с круглым входом имеют лучшую аэродинамику и при том же A/R обеспечивают лучшую продувку на верхах по сравнению с традиционными чугунными хаузингами с прямоугольным входом. Также при выборе A/R следует принимать во внимание эффективность всего выпускного тракта после турбины. Использование прямоточных выхлопных систем большого сечения позволяет использовать чуть меньший А/Р турбины и при той же пиковой мощности получить более ранний выход на наддув.

О турбонаддуве

Нагнетание воздуха при помощи турбокомпрессора

Мощность, которую может развивать двигатель внутреннего сгорания, зависит от количества воздуха и топлива, которые поступают в двигатель. Таким образом, добиться повышения мощности можно, увеличив количество этих компонентов. Увеличение количества топлива совершенно бессмысленно, если одновременно не увеличивается количество воздуха для его сгорания. Поэтому одним из решений проблемы повышения мощности двигателя является увеличение количества воздуха, поступающего в цилиндры; при этом можно сжечь больше топлива и получить, соответственно, большую энергию. Это подразумевает, что необходимый для сгорания топлива воздух должен быть сжат перед подачей в цилиндры.
Увеличение мощности атмосферного двигателя может быть достигнуто путём увеличения либо его рабочего объёма, либо оборотов. Увеличение рабочего объёма сразу же увеличивает вес, размеры двигателя и, в конечном итоге, его стоимость. Увеличение оборотов проблематично из-за возникающих при этом технических проблем, особенно в случае двигателя со значительным рабочим объёмом. Технически приемлемым решением проблемы увеличения мощности является использование нагнетателя (компрессора). Это означает, что подающийся в двигатель воздух сжимается перед его впуском в камеру сгорания.

Турбокомпрессор был впервые сконструирован швейцарским инженером Бюши ещё в 1905 году, но только много лет спустя он был доработан и использован на серийных двигателях с большим рабочим объёмом. В принципе, любой турбокомпрессор состоит из центробежного воздушного насоса и турбины, связанных при помощи общей жесткой оси между собой. Оба этих элемента вращаются в одном направлении и с одинаковой скоростью. Энергия потока отработавших газов, которая в обычных двигателях не используется, преобразуется здесь в крутящий момент, приводящий в действие компрессор. Происходит это так: выходящие из цилиндров двигателя отработавшие газы имеют высокую температуру и давление, они разгоняются до большой скорости и вступают в контакт с лопатками турбины, которая и преобразует их кинетическую энергию в механическую энергию вращения (крутящий момент).

Это преобразование энергии сопровождается снижением температуры газов и их давления. Компрессор засасывает воздух через воздушный фильтр, сжимает его и подает в цилиндры двигателя. Количество топлива, которое можно смешать с воздухом, при этом можно увеличить, что позволяет двигателю развивать большую мощность. Кроме того, улучшается процесс сгорания, что позволяет увеличить характеристики двигателя в широком диапазоне оборотов.

Между двигателем и турбокомпрессором существует связь только через поток отработавших газов. Частота вращения турбокомпрессора напрямую не зависит от числа оборотов двигателя и характеризуется некоторой инерционностью, т.е. сначала увеличивается подача топлива и энергия потока отработавших газов, а затем уже увеличиваются обороты турбины и давление нагнетания, и в цилиндры двигателя поступает ещё больше воздуха, что даёт возможность увеличить подачу топлива.

Характеристики мотора напрямую зависят от давления наддува: чем больше воздуха удастся загнать в цилиндры, тем мощнее будет двигатель. При определенном стиле вождения появляются и другие плюсы – снижается расход топлива, мотор не боится горных дорог, где обычные двигатели буквально задыхаются от нехватки кислорода в разреженной атмосфере.

Все современные автомобили оснащены системой турбонаддува, которая позволяет повысить мощность двигателя на 20-35% при этом двигатель, оснащенный турбонаддувом, обладает более высоким крутящим моментом на средних и высоких оборотах, что делает автомобиль более динамичным и экономичным при движении. Но при торможении двигателем автомобиль останавливается медленней, за счет пониженной степени сжатия в цилиндрах. Турбина начинает эффективно работать на дизельном авто при 2200-2500 об/мин, на бензиновом при 2800 — 3500 об/мин. Промежуток оборотов двигателя от холостых оборотов до включения турбины называется турбо-яма. Современные системы управления турбиной позволяют минимизировать эффект турбо-ямы.

Показателем эффективности работы турбины является давление наддува, которое на дизельных двигателях обычно достигает до 0.6-0.7 бар а на бензиновых от 0.6-1.0 бар. Качество сгораемого топлива зависит от процентного содержания смеси топливо-воздух и определяет состояние выхлопных газов двигателя.

Все турбонаддувы можно условно разделить на два типа – низкого (0,20 бара) и высокого давления (0,82 бара). Первый, как показала практика, может вообще обходиться без регуляторов. К примеру, на мотор Saab 95 V6 Ecopower Turbo объемом 3,0 л установлена относительно маломощная, поэтому и менее «задумчивая» турбина Garrett. Интересно, что для достижения максимального давления 0,25 бара она использует энергию отработавших газов лишь трех цилиндров из шести. На больших оборотах турбонагнетатель не может как следует разогнаться, что и обеспечивает низкое давление наддува. Электронно управляемая заслонка в этой турбине тут же открывается при любом нажатии на педаль газа. Это позволяет турбине немедленно получать необходимое количество отработавших газов для того, чтобы закачивать в цилиндры больше воздуха. Как только «воздушный насос» раскрутился, заслонка возвращается в положение, соответствующее заданному числу оборотов двигателя. В результате максимальный момент 310 Нм этот мотор выдает при 2100 об/мин.

Но это исключение из правил. Обычно в качестве регуляторов давления в турбодвигателях используют предохранительные клапаны – механические, либо с электронным управлением. Первые открываются избыточным давлением наддуваемого воздуха, вторые имеют исполнительные механизмы, как правило, электромагнитные. Команду открыть-закрыть клапану дает ЭБУ двигателя, руководствуясь информацией целой группы датчиков: давления во впускном коллекторе, детонации, расходомера воздуха и т. д. Первым подобную систему применил Saab в 1981 году.

Давление наддува обычно регулируется с помощью клапанных систем, которые перепускают требуемое количество отработавших газов. Хотя встречаются модели, в которых избыточный воздух сбрасывается прямо под капот, что не совсем выгодно с точки зрения экономичности. Впрочем, и первый способ не идеален, ведь значительное количество отработавших газов не выполняет никаких полезных действий. Вот если бы объединить две турбины в одной! Тогда бы одна использывалась для малых оборотов двигателя, а другая – для максимальных. При этом перепускной клапан использовался бы эпизодически.

Что такое VTG?

Турбонагнетатель с изменяемой геометрией VTG (Variable Turbo Geometry) – это вовсе не турбина с поворотными крыльчатками. Реализовать подобное затруднительно. Но зато ничто не мешает сделать подвижным направляющий аппарат, который в зависимости от нагрузки дозировал бы количество и скорость поступающих на «горячую крыльчатку» отработавших газов. Самый простой вариант использовали в роторном моторе Mazda RX7 в конце 80х. Здесь струя выхлопных газов была разделена на два потока. На малых оборотах они воздействовали только на верхнюю часть турбинного колеса. При достижении определенной частоты вращения коленвала срабатывал клапан, после чего отработавшие газы подавались уже на всю поверхность крыльчаток. Правда, оказалось, что данная система хорошо работала только в паре с роторнопоршневым двигателем Ванкеля.

Более удачной оказалась идея с несколькими поворотными лопатками, закрепленными в специальной обойме. Они регулировали скорость и давление потока отработавших газов в зависимости от режима работы. В грузовых автомобилях первой удачно применила этот метод фирма Mitsubishi в середине 80х, а в легковых – Audi и Volkswagen – фирма Allied Signal (Garrett) в 1995 году. Позже VTG-нагнетатетелями обзавелись легковые дизели BMW и MercedesBenz, а также AlfaRomeo. К слову, нечто подобное устанавливалось на советские танковые дизели с середины 60х.

Но пока, к сожалению, такая система прижилась только на дизельных моторах. Дело в том, что нежный направляющий аппарат теряет подвижность после долгой работы при высоких температурах выхлопных газов. Сравним 1050°С для бензинового двигателя и всего 600°С для дизеля. Кроме того, турбина с переменной геометрией дороже, чем обычная. А ее надежность и долговечность все-таки поменьше. Поэтому в ближайшее время вопрос о том, каким должен быть идеальный наддув, остается открытым. Один из перспективных путей – применение комбинированного наддува. К примеру, на малых оборотах воздух в цилиндры нагнетает приводной компрессор, а уже со средних в дело вступает турбонаддув.

Дизельный насос (ТНВД) имеет турбо-корректор, который подает топливо относительно поступаемого в камеру сгорания воздуха. Такая же коррекция происходит и в инжекторных системах. Окружная скорость вращения вала турбо-корректора достигает 50-70 м/с, что в несколько раз выше скорости движения автомобиля и на порядок выше окружной скорости коленчатого вала, если эти данные перевести в об/мин то ротор турбо-корректора вращается с 150000 — 210000 об/мин а коленвал с 5000-7000 об/мин. При этой скорости малейший дисбаланс превращает ротор в вибратор большего размера, что приводит к механичекому и акустическому шуму, утечке масла через уплотнения и неэффективной работы турбины, а в конечном итоге к заклиниванию вала и обрыву горячей крыльчатки. Вот зачем необходима балансировка вала до сборки турбокомпрессора и после. Особую роль нужно отдать диагностике работы двигателя и топливной системы.

Для проверки эффективности работы турбокомпрессора используется вакуумметр-манометр. Для проверки давления картерных газов используем напоромер. Данный прибор позволяет диагностировать состояние двигателя в целом. Ведь работа турбины на 99% зависит от состояния двигателя, а повышенный расход масла и топлива ошибочно указывает на изношенное состояние турбокомпрессора. Что касается диагностики топливной системы автомобиля, то лучше это сделать на специализированной СТО, но некоторые неисправности очевидны. Так средний пробег распылителей форсунок составляет 100 тыс. км. пробега, работа свечей накала 50 тыс. км., свечей зажигания обычных 25 тыс. км. а платиновых 60 тыс. км. Периодическая профилактическая чистка топливной системы составляет около 25 тыс. км. км пробега. Клиенты к нам обращаются как в плане консультации при покупке автомобиля, так и с просьбой диагностики турбины и двигателя для определения реального состояния цилиндро-поршневой группы и ремонта.

Преимущества турбокомпрессорного двигателя

Двигатель, оснащённый турбокомпрессором, обладает техническими и экономическими преимуществами по сравнению с атмосферным (безнаддувным) двигателем:

• Соотношение «масса/мощность» у двигателя с турбокомпрессором выше, чем у атмосферного двигателя.

• Двигатель с турбокомпрессором менее громоздок, чем атмосферный двигатель той же мощности.

• Кривая крутящего момента двигателя с турбокомпрессором может быть лучше адаптирована к специфическим условиям эксплуатации. При этом, водитель тяжёлого грузовика должен намного реже переключать передачи на горной дороге, и само вождение будет более «мягким».

Кроме того, можно на базе атмосферных двигателей создавать версии, оснащённые турбокомпрессором и различающиеся по мощности. Ещё более ощутимы преимущества двигателя с турбокомпрессором на высоте. Атмосферный двигатель теряет мощность из-за разрежения воздуха, а турбокомпрессор, обеспечивая повышенную подачу воздуха, компенсирует снижение атмосферного давления, почти не ухудшая характеристики двигателя. Количество нагнетаемого воздуха станет лишь ненамного меньше, чем на более низкой высоте, то есть двигатель практически сохраняет свою обычную мощность. Кроме того:

• Двигатель с турбокомпрессором обеспечивает лучшее сгорание топлива.Подтверждением тому служит уменьшение потребления топлива грузовиками на больших пробегах.

• Поскольку турбокомпрессор улучшает сгорание, он также способствует уменьшению токсичности отработавших газов.

Ремонт турбин дизельных двигателей

Турбированный дизельный двигатель с неисправным компрессором теряет от 30 до 60 процентов своей мощности. К сожалению, вывести этот агрегат из строя довольно легко: достаточно несколько раз после холодного пуска дать двигателю высокие обороты. Если к тому же моторное масло не соответствует типу двигателя или засорен фильтр, ремонт турбокомпрессора придется делать почти наверняка.

Рекомендации по эксплуатации автомобиля с турбиной

Очевидно, что классическое обслуживание автомобиля — ещё не гарантия того, что Турбина и двигатель может пройти 500 000 км до капремонта. В регламентное обслуживание необходимо вводить такие работы: очистка топливной системы, диагностика-регулировка топливо-воздушной системы, проверка на загрязнение катализатора в выхлопной системе.

• При запуске двигателя используйте минимальный газ и не меньше минуты держите двигатель на холостых оборотах. Газовать на двигателе, который лишь несколько секунд назад завелся, значит, заставлять турбину вращаться на высоких скоростях в условиях ограниченной смазки.
• После больших оборотов и нагрузки двигателя не выключайте зажигание, дайте двигателю поработать на холостых оборотах от 15 до 30секунд (в зависимости от режима работы двигателя). При нагруженном двигателе крыльчатка турбины вращается на очень высоких оборотах. Быстрое же выключение зажигания приводит к прекращению подачи масла в то время когда крыльчатка ещё вращается с большой скоростью…
• Избегайте длительной работы на холостых оборотах. При этом давление масла в турбине больше, чем воздуха в компрессорной части. Масло может вытекать в улитки и появится сизый дым.
• Масло, на котором эксплуатируется ваш автомобиль — это действительно самая главная деталь в работоспособности турбонаддува.

Практические советы по обслуживанию, диагностике

Сегодня многие СТО «боятся» автомобилей с турбокомпрессорами. Это происходит из-за нехватки информации с одной стороны и нежелании механиков получать дополнительные знания по автодиагностике. Предлагаем Вам ознакомиться с подходом к турбокомпрессору. Не нужно бояться турбин, нужно технически грамотно представлять процесс проверки турбокомпрессора.

Если автомобиль нуждается в ремонте, а признаки указывают, что неисправность связана с турбокомпрессором, важно точно установить, поврежден он или нет. Это можно сделать, пользуясь таблицей, приведенной ниже. Если точно установлено, что турбокомпрессор неисправен, нужно обязательно отыскать причину этого. Если её не устранить, новый компрессор, установленный взамен неисправного, тоже выйдет из строя, иногда это происходит в первые же секунды после запуска двигателя.

Методика диагностирования турбокомпрессора на двигателе

1. Необходимо подсоединиться к системе впускного коллектора с помощью тройника, так как система должна быть герметична.
2. Произвести запуск двигателя, дать возможность прогреться двигателю до температуры 70°С.
3. Статическая проверка турбонаддува:

• на инжекторных автомобилях показания прибора при холостых оборотах должны быть в секторе вакуумирования (левая зелёная зона). На дизельных автомобилях показания прибора колеблются около «0»;
• для дизельных автомобилей: при холостых оборотах стрелка на приборах находится в «0», при резком и кратковременном нажатии на педаль газа может быть в пределах 0,5 – 0,8 бар при 2200 –3500 об/мин, нагнетание становится эффективным от 2200 об/мин;
• на инжекторных автомобилях при плавном нажатии на педаль акселератора на оборотах двигателя 2000 об/мин показания прибора достигают 0 – 0,2 бар. При резком нажатии на педаль акселератора показания прибора достигают 0,3 – 0,5 бар, и происходит сброс давления, т.к. двигатель не нагружен. Поэтому инжекторный автомобиль необходимо диагностировать в движении. Эффективность нагнетания происходит от 2800 об/мин двигателя.

4. Динамическая проверка турбонаддува:

• необходимо вывести прибор в салон автомобиля;
• произвести измерение на 2-й передаче с максимальным ускорением, при этом показания прибора на инжекторных автомобилях достигают 0,8 – 1,0 бар, а на дизельных – 0,6 – 0,8 бар.

5. После измерения турбонаддува необходимо все соединения вернуть в начальное состояние.

Внимание!!!

Если давление турбонаддува для дизеля ниже 0,5 бар, то необходимо уделить серьёзное внимание топливной аппаратуре. Если ниже 0,3 бар при исправном двигателе, то турбокомпрессор требует ремонта.

Внимание!!!

Если давление турбонаддува превышает максимально допустимые параметры, то существует большая вероятность выхода из строя цилиндропоршневой группы (прогар поршня). Вопреки распространенному мнению, можно починить практически любой компрессор. Однако сам процесс ремонта турбин очень сложен, и кроме опыта требует специального оборудования.

Сначала агрегат разбирается и проводится тщательная ревизия состояния всех его деталей. После этого делается собственно ремонт турбокомпрессора, для чего применяются лишь фирменные запчасти, а все подшипники и компрессионные кольца заменяются новыми. Затем турбину тщательно балансируют и картридж собирают. Далее на стенде добиваются идеальной балансировки уже самого картриджа, после чего турбину можно устанавливать на двигатель.

Замена турбокомпрессора

При самостоятельной установке турбины следует выполнять приведённые указания:

1. Проверить сливные маслопроводы, снять и полностью их прочистить. Убедиться в отсутствии вмятин, повреждений, пережатий. Случается, что шланги и резиновые патрубки через некоторое время разбухают изнутри, что затрудняет движение масла. В случае сомнений рекомендуется заменить резиновые части новыми деталями.
2. Проверить сапун двигателя, снять и полностью очистить его. Нужно следовать тем же указаниям, что и для маслопроводов. Проверить, при необходимости заменить клапаны (если они есть). На сапуне часто устанавливают небольшой конденсатор масла, его также нужно очистить и проверить. Одним словом, давление картерных газов не должно превышать 50 кг/м2.
3. Пред установкой турбокомпрессора (далее ТКР) заглушить патрубок маслоподачи и слива на ТКР.
4. Прогреть двигатель до рабочей температуры, произвести замер давления масла в патрубке подачи масла на ТКР ( не менее 0,8 кг/см2 ) на холостых оборотах и (не более 6,5 кг/см2) на максимальных оборотах.
5. Слить отработанное масло с двигателя.
6. Произвести замену всех фильтров (масляного, воздушного, топливного). Очистить внутренние полости корпуса воздушного фильтра от инородных частиц и мусора.
7. Залить масло, соответствующее требованиям завода-изготовителя для данного типа двигателя (смотреть инструкцию по эксплуатации автомобиля).
8. Произвести чистку и проверить герметичность воздушных патрубков подачи и слива масла (патрубки трубопроводов должны соответствовать требованию завода-изготовителя).
9. При наличии интеркулера промыть его от остатков масла.
10. При наличии катализатора в выхлопной системе необходимо проверить сопротивление противовыхлопа (не более 0,2кг/см2 на оборотах). При завышенном давлении, или если автомобиль имеет пробег более 100 тыс. км, катализатор нужно заменить или удалить.
11. Снять заглушку с маслоподающего патрубка. На стартерном режиме произвести прокачивание маслом подающей трубки, слить в ёмкость примерно 100 г масла.
12. Произвести монтаж ТКР, не подключая патрубки всасывания и наддува воздуха.
13. Подключить маслоподающую трубку к ТКР.
14. На стартерном режиме произвести прокачивание масла через ТКР в ёмкость примерно 100 г, контролируя появление масла на сливной трубке.
15. Подсоединить маслосливную трубку к ТКР.
16. Запустить двигатель, не пользуясь педалью акселератора. Дать поработать двигателю 5–10 минут на холостых оборотах, при этом контролировать температуру патрубка подачи масла (50–60°С), контролировать герметичность всех соединений.
17. Увеличить обороты двигателя до 2500/3000 об/мин. При этом отслеживать выброс масла из нагнетающего патрубка улитки ТКР.
18. Убедившись, что ТКР не выбрасывает через нагнетающий патрубок улитки масло, произвести монтаж воздушных патрубков.
19. Запустить двигатель, проверить герметичность всех соединений.
20. Замерить давление во всасывающем тракте после турбины.

Если обнаружены неисправности, конечно же следует их устранить.

С уважением СТО «Ковш»

Виды выпускных коллекторов и их влияние

В основном все турбоколлекторы делятся на два типа: литые log-style и трубные сварные: Дизайн турбоколлектора довольно сложный процесс т.к. очень много факторов должно быть принянто во внимание. Ниже приведены общие советы для достижения максимальной производительности: — Старайтесь использовать максимально возможный радиус поворотов, т.к. как каждый крутой изгиб ранера поглощает часть полезной энергии потоков газа. — Добивайтесь равной длины ранеров для избежания перекрестного наложения выхлопных импульсов. — Избегайте резких изменений сечения — В сводах ранеров избегайте резких углов для сохранения направления и скорости потока — Для лучшей отзывчивости турбины избегайте больших объемов коллектора, для большей пиковой мощности, наоборот, может быть использован больший объем коллектора — Оптимально выбирайте длину ранеров и объем коллектора в зависимости от объема мотора и диапазона оборотов на которых необходимо получить наилучшую отдачу Литые коллектора чаще всего применяются в заводских гражданских компоновках, в то время как сварные трубные коллекторы чаще применяются в спортивных вариантах моторов. Оба вида имеют свои достоинства и недостатки. Литые коллекторы обычно весьма компактны и более дешевы при массовом производстве. Трубные коллекторы могут быть изготовлены в малых сериях или единичных экземплярах для конкретного случая и не требуют такой сложной предварительной организации производства как литые. Правильно разработанный и изготовленный трубный коллектор обеспечивает длительный срок эксплуатации и значительное улучшение производительности по сравнению с литым log-style коллектором.

Твинскрольные коллекторы

Твинскольный коллектор может быть как литым так и сварным трубным и используется в паре с соответствующим твинскольным турбинным хаузингом. Назначение такой конструкции в разделении цилиндров, чьи рабочие циклы могут пересекаться между собой и для лучшего использования выхлопного импульса каждого цилиндра. Наример, на 4-х цилиндровом моторе с порядком работы цилиндров 1-3-4-2, цилиндр #1 начинает свою фазу выпуска пока еще не закончена выпускная фаза в цилиндре #2, и его выпускной клапан открыт, а в зависимости от величины перекрытия, в этот момент может быть открыт и впускной клапан цилиндра #2. В нетвинскрольном коллекторе импульс высокого давления из цилиндра #1, попав в коллектор, сбивает течение потока цилиндра #2 не позволяя ему хорошо продуться в своей начальной стадии впуска. Также при этом, сам поток из цилиндра #1 теряет часть своей энергии. Правильной компоновкой твинскрольного коллектора, в данном случае, будет сгруппировать цилиндры #1 и #4 в одной половине коллектора, а цилиндры #2 и #3 — в другой. Пример твинскрольного турбинного хаузинга: Более эффективное использование энергии выхлопных газов в твинскрольных системах ведет к улучшению отзывчивости турбины на малых оборотах и большей мощности на больших.

Достоинства и недостатки системы турбонаддува

Подводя итоги, можно выделить плюсы и минусы использования на моторе турбонаддува. В числе достоинств:

• увеличение мощности двигателя;
• повышение КПД двигателя;
• снижение расхода топлива.

К минусам можно отнести:

• низкий крутящий момент на малых оборотах двигателя;
• более высокая стоимость;
• более сложное обслуживание и эксплуатация.

Воплощение идеи по использованию выхлопных газов с целью разгона ротора позволила увеличить мощность дизельного мотора примерно на 30%. Мотор, на который установлен турбонаддув, называется турбодизелем.

Степень сжатия турбомоторов.

Прежде чем приступить к обсуждению степени сжатия и давлению наддува, важно понять, что такое кнок или детонация. Детонация — это опасный процесс, вызванный спонтанным быстротекущим сгоранием топливновоздушной смеси в цилиндрах. Этот процесс вызывает резкие и большие по величине всплески давления в камере сгорания ведущие со временем к механическому разрушению поршневой группы и износу вкладышей. Основными факторами, вызывающими детонацию являются: — Естественная склонность самого мотора к детонации. Поскольку все моторы имеют свои конструкционные особенности, нет простого и однозначного ответа как лучше. Форма камеры сгорания, расположение в ней свечи зажигания, диаметр цилиндра и степень сжатия, качество распыла топлива — все это влияет на склонность или, наоборот, устойчивость конкретного мотора к детонации. — Внешние условия. В турбомоторах параметры всасываемого турбиной воздуха, его температура и влажность, а также параметры воздуха, который попадает в цилиндры после турбины, влияют на склонность к детонации. Чем выше наддув, тем больше температура воздуха, поступающего в цилиндры, и тем больше вероятность возникновения детонации. Интеркулер с хорошей эффективностью охлаждения сжатого воздуха значительно помогает в борьбе с детонацией. — Октановое число топлива. Октан — это величина показывающая стойкость топлива к возникновению детонации. Октан типовых гражданских бензинов находится в диапазоне 92-98 единиц. Специальные спортивные виды топлива имеют октан 100-120 и выше единиц. Чем выше октан, тем более стойким является топливо к возникновению детонации. — Настройки блока управления. Угол зажигания и соотношение воздух/топливо значительным образом влияет на склонность или устойчивость мотора к детонации в различных режимах. Теперь, когда мы разобрались с общими факторами связанными с детонацией, поговорим о степени сжатия. Степень сжатия (СЖ) определена как: Где: CR — степень сжатия Vd — объем цилиндра Vcv — объем камеры сгорания СЖ заводских моторов будет разной для атмосферного и турбомотора. Например стоковый мотор Honda S2000 имеет СЖ равную 11.1:1, в то время как турбомотор Subaru WRX имеет СЖ 8.8:1. Существует много факторов влияющих на максимально допустимую СЖ. Нет одного простого ответа какой она должна быть. В общем случае, СЖ должна быть выбрана максимально возможной для предотвращения детонации, с одной стороны, и обеспечения максимального КПД двигателя, с другой. Факторами влияющими на выбор СЖ в каждом конкретном случае являются: октановое число применяемого топлива, давление наддува, температура воздуха в предполагаемых режимах эксплуатации, форма камеры сгорания, фазы клапанного механизма и противодавление в коллекторе. Многие современные атмосферные моторы имеют хороший дизайн камеры сгорания и большую стойкость к детонации, что при правильной настройке блока управления позволяет устанавливать на них турбонаддув не меняя заводскую степень сжатия. Обычной практикой при турбировании атмосферных моторов является увеличение мощности на 60-100% относительно заводской. Тем не менее, для значительных значений наддува требуется уменьшение заводской СЖ. AFR или соотношение воздух/топливо. При обсуждении вопроса настройки двигателя, выбраный AFR, наверное, наиболее часто встречающийся вопрос. Правильный AFR имеет крайне высокое влияние на общую производительность и надежность мотора и его компонентов. AFR определен как соотношение количества воздуха зашедшего в цилиндр к количеству зашедшего в него топлива. Стехиометрическая смесь это смесь при которой происходит полное сгорание топлива. Для бензиновых двигателей стехиометрией является соотношение 14.7:1. Это означает что на каждую часть топлива приходится 14.7 частей воздуха. Что означают понятия бедная и богатая смесь? Более низкие значения AFR означают меньшее количество воздуха относительно топлива и такая смесь называется богатой. Аналогично, большие значения AFR означают больше воздуха относительно топлива и называются бедной смесью. Например: 15.0:1 = бедная 14.7:1 = стехиометрическая 13.0:1 = богатая Бедная смесь ведет к повышению температуры горения смеси. Богатая — наоборот. В основном атмосферные моторы достигают максимальной отдачи на смеси, несколько богаче стехиометрии. На практике ее держат в диапазоне 12:1…13:1 для дополнительного охлаждения. Это хороший AFR для атмосферного мотора, но он может в некоторых случаях быть крайне опасным в случае с турбомотором. Более богатая смесь снижает температуру в камере сгорания и повышает стойкость к детонации, а также снижает температуру выхлопных газов и увеличивает срок службы турбины и коллектора. Реально при настройке существует три способа борьбы с детонацией: — уменьшение давление наддува — обогащение смеси — использование более позднего зажигания. Задачей настройщика является поиск наилучшего баланса этих трех параметров для получения максимальной отдачи и ресурса турбомотора.

Конструкция турбины

Дата публикации: 2015-04-10

Содержание

• Компрессор
• Характеристики компрессора
• Область помпажа
• Линия насыщения
• Предельная частота вращения
• Турбина
• Рабочие характеристики
• Материалы турбин
• Турбины с двойным входом
• Отклик
• Керамические колеса турбин
• Водоохлаждаемые корпуса
• Система управления
• Байпасное регулирование на турбинной стороне
• Турбины с изменяемой геометрией
• Узел подшипников
• Опорные подшипники
• Упорный подшипник
• Слив масла
• Уплотнения
• Тепловая нагрузка на подшипники
• Тепловой экран и охлаждение разбрызгиванием масла
• Термическая развязка
• Водяное охлаждение
• Рециркуляционный клапан

Конструкция и основные функции турбокомпрессора (ТК) не претерпели принципиальных изменений с момента его изобретения швейцарским инженером Альфредом Бюхи, предложившим идею турбонаддува в 1905 году. Турбокомпрессор, как и следует из его названия, состоит из турбины и компрессора, соединенных общим валом. Турбина, приводимая в действие отработавшими газами (ОГ), передает энергию вращения на компрессор.

В автотехнике наиболее популярны центробежные компрессоры и радиально-осевые (центростремительные) турбины, которые и являются основой большинства современных ТК.

Компрессор

Входящий в состав турбокомпрессора центробежный компрессор состоит из трех основных компонентов: колеса компрессора, диффузора и корпуса. Вращающимся колесом поток воздуха всасывается в осевом направлении, разгоняется до большой скорости и затем вытесняется в радиальном направлении. Диффузор замедляет высокоскоростной поток воздуха практически без потерь, так что и его давление, и температура возрастают. Диффузор сформирован опорным диском компрессора и частью спирального корпуса (улитки). Последний, в свою очередь, собирает истекающий поток и еще больше замедляет его до выхода из компрессора.

Основные компоненты компрессора: крыльчатка (колесо компрессора), диффузор и спиралевидный корпус. Диффузор — узкий канал, сформированный опорным диском компрессора и частью корпуса.

Характеристики компрессора

Рабочие характеристики компрессора определяются картой режимов, которая отражает зависимость между степенью повышения давления и объемным или массовым расходом. Для удобства сравнения объемный и массовый расход компрессора соотносят со стандартными условиями на входе в компрессор. Рабочая область карты для центробежных компрессоров ограничивается зонами неустойчивых режимов (слева – линией помпажа, справа – линией насыщения), а также максимально допустимой частотой вращения. Компрессор для автомобильного применения должен устойчиво работать при изменении расхода воздуха в большом диапазоне. Поэтому он должен иметь карту режимов с широкой рабочей областью.

Область помпажа

Автомобильный турбокомпрессор — агрегат, состоящий из центробежного компрессора и радиально-осевой турбины, соединенных общим валом.
Карта режимов слева ограничена линией помпажа. По сути, помпаж – это срыв потока воздуха на входе в компрессор. При слишком малом объемном расходе и слишком высокой степени повышения давления поток отрывается от входных плоскостей лопаток и нормальный процесс нагнетания нарушается. Поток воздуха через компрессор реверсируется до тех пор пока перепад давления не стабилизируется. Направление потока вновь становится нормальным, давление наддува восстанавливается и цикл повторяется. Эта нестабильность потока продолжается с фиксированной частотой. Возникающий из-за этого акустический шум известен как помпаж.

Линию помпажа смещают в область меньших объемных расходов путем применения лопаток с загнутыми назад кромками, так что рабочий диапазон расходов компрессора увеличивается. Обратный изгиб лопаток приводит к образованию длинных, постепенно расширяющихся каналов. Они замедляют скорость потока и производят меньше пограничных расслоений, чем в случае лопаток с радиальными кромками.

«Улитка» собирает высокоскоростной поток и замедляет его, что приводит к росту температуры и давления.

Ширина диффузора также оказывает позитивный эффект на расположение линии помпажа. В общем случае компрессоры с диффузорами узкой конфигурации имеют более стабильную карту режимов.

Линия насыщения

Максимальный объемный расход центробежного компрессора обычно ограничивается величиной сечения на входе. Когда скорость потока на входе в колесо достигает скорости звука, дальнейшее увеличение расхода становится невозможным. Линию насыщения можно определить по круто снижающимся кривым максимальной частоты вращения компрессора в правой части карты режимов. Входное сечение компрессора может быть увеличено, а линия насыщения сдвинута в область больших расходов путем смещения передней кромки каждой второй лопатки (так называемые сплиттерные лопатки).

Когда увеличивается входной диаметр компрессора, возрастает так называемое хаб отношение ( hub
ratio
) — отношение между входным диаметром и диаметром колеса. Это приводит к росту максимального расхода. Из-за требований к прочности деталей и по соображениям аэродинамики увеличение хаб отношения возможно примерно до 0,8. По той же причине такие большие хаб отношения позволяют получить только относительно низкие значения степени повышения давления, которые требуются в пассажирских автомобилях.

Утоньшение лопаток и уменьшение их количества увеличивает площадь поперечного сечения на входе в колесо, так что линия насыщения отодвигается в сторону больших объемных расходов воздуха. Минимальная толщина лопаток лимитируется технологией литья и прочностными требованиями. Однако когда количество лопаток сокращается, степень повышения давления также уменьшается.

Таким образом, компрессорные колеса турбокомпрессоров пассажирских автомобилей характеризуются высоким хаб отношением и уменьшенным количеством тонких лопаток с сильным обратным загибом.

Компрессор — «холодная» часть ТК, функция которой — повысить давление, а, вместе с этим, и плотность воздуха, поступающего в двигатель.

Корпуса компрессоров для коммерческих дизелей, где требуются и высокая степень повышения давления, и широкая карта режимов, часто изготавливают с рециркуляционными каналами. По каналам часть всасываемого воздуха возвращается из компрессора в основной поток на входе в него. Благодаря возникающей рециркуляции течение стабилизируется и линия помпажа смещается в сторону меньших объемных расходов. Более того, тем же путем воздух можно подвести к колесу в зоне позади ограничивающего входного сечения, так что линия насыщения сдвигается в область больших расходов.

Предельная частота вращения

Частота вращения колеса компрессора ограничивается нагрузками, которые испытывают его компоненты. Максимальная частота вращения определяется допустимой скоростью кончиков лопаток и наружным диаметром колеса. Допустимая скорость кромок лопаток обычно составляет около 520 м/с. Если не принимаются никакие меры для снижения нагрузок, увеличение скорости оборачивается сокращением срока службы.

Турбина

Турбина турбокомпрессора (ТК) состоит из турбинного колеса и корпуса. Она преобразует энергию отработавших газов (ОГ) в механическую энергию для привода компрессора. Поток ОГ несет энергию в форме высокого давления и температуры. После прохождения через турбину энергия газов (давление и температура) уменьшается. Перепад давления и температуры газов между входом и выходом из турбины преобразуется в кинетическую энергию вращения турбинного колеса.

Существуют два основных вида турбин: с осевым и радиальным потоком. В случае колес диаметром до 160 мм используются только радиальные турбины. КПД маленьких радиальных турбин выше, а стоимость изготовления при больших объемах производства существенно ниже, чем осевых. Поэтому они обычно применяются в пассажирских и коммерческих дизелях, а также в индустриальных силовых агрегатах.

В улитке радиальных (центростремительных) турбин давление ОГ преобразуется в кинетическую энергию и они с постоянной скоростью направляются с периферии на турбинное колесо. Трансформация кинетической энергии в мощность на валу происходит в турбинном колесе. Оно спроектировано так, чтобы почти вся кинетическая энергия газа преобразовалась к моменту, когда он выходит из крыльчатки.

Рабочие характеристики

Устройство крыльчатки компрессора. Сплиттерные лопатки увеличивают входное сечение компрессора. Обратный изгиб лопаток на выходе из компрессорного колеса — способ борьбы с помпажем.
Мощность турбины возрастает по мере роста перепада давления между ее входом и выходом, то есть, когда перед турбиной скапливается больше отработавших газов (ОГ). Это происходит в результате повышения оборотов двигателя или увеличения температуры газов вследствие их большей энергии.

Поведение турбинной характеристики определяется относительным сечением проточной части. Чем меньше относительное сечение, тем больше газов скапливается на входе в турбину (повышается давление перед турбиной). В результате увеличения перепада давления производительность турбины возрастает. Таким образом, с уменьшением относительного сечения давление наддува увеличивается.

Относительное сечение турбины можно легко варьировать путем замены ее корпуса. Большинство производителей турбокомпрессоров (ТК) для каждого типа турбины предлагает корпуса разных размеров. Это позволяет в широких пределах изменять давление наддува путем подбора нужного относительного сечения проточной части турбинного корпуса.

Помимо относительного сечения на массовый расход газов через турбину также оказывает влияние площадь отверстия на выходе из колеса. Механическая обработка литого турбинного колеса по контуру — трим (trim) — дает возможность регулировать площадь сечения а, следовательно, и давление наддува. Увеличение контура колеса выливается в большее проходное сечение для потока. В рамках одной серии ТК производители предлагают колеса турбин с разным тримом, которые изготовлены из одних литьевых заготовок.

В турбинах с изменяемой геометрией проходное сечение потока между каналом улитки и выходом из колеса варьируется. На входе в турбинное колесо оно изменяется с помощью подвижных управляемых лопаток или скользящего кольца, частично перекрывающего сечение.

На практике рабочие характеристики турбины ТК описываются картами, показывающими зависимость параметров потока ОГ от перепада давления на турбине. На карте турбины показаны кривые массового расхода и КПД турбины для разных частот вращения. Для упрощения карты зависимости расхода и эффективности могут быть представлены в виде усредненных кривых.

Материалы турбин

Поскольку при работе двигателя и после его останова турбина подвергается действию очень высоких температур, колесо и корпус турбины изготавливаются из материалов, обладающих высокой жаропрочностью. В общем случае крыльчатки турбин делают из сплавов на основе никеля, таких как Inconel 713 и GMR 235. Основные компоненты этих сплавов – никель и хром. В то время как GMR 235 работает в условиях температуры отработавших газов (ОГ) на входе в турбину до 850°С, Inconel 713 (73% никеля, 13% хрома) применяется при температурах свыше 1000°С.

Выбор материала для корпуса турбины также зависит от температуры. Сегодня серый чугун GGG40 со сферическим графитом (до 680°С) применяется реже. Для большинства дизельных агрегатов используется кремниево-молибденовый чугун GGG SiMo 5.1 (до 760°С) или GGV SiMo 4.5 0.6 (до 850 °С). Реже для температур ОГ до 850 °С используется высоколегированный никель-хромовый чугун GGG NiCrSi 20 2 2 (Niresist D2).

В большинстве турбокомпрессоров для бензиновых двигателей с температурами ОГ до 970°С применяется сплав GGG NiCrSi 35 5 2 (Niresist D5). Для самых высоких температур до 1050 °С, что потребуется в бензиновых двигателях ближайшего будущего, используется жаростойкая литьевая аустенитная сталь.

Турбины с двойным входом

Давление истекающих из двигателя отработавших газов (ОГ) не постоянное — оно пульсирует в соответствии с чередованием тактов выпуска в разных цилиндрах. Импульсные системы наддува используют пульсации давления ОГ, позволяющие кратковременно увеличить перепад давления на турбине. За счет роста перепада давления увеличивается КПД турбины, улучшая ее работу до тех пор пока через нее не пойдет большой, эффективный поток газов. В результате более полного использования энергии ОГ улучшаются характеристики давления наддува и, соответственно, поведение кривой крутящего момента, особенно на низких оборотах двигателя.

Для предотвращения взаимного влияния цилиндров при разных тактах впуска-выпуска они делятся на две независимые группы. Каждая группа объединяется в свой выпускной коллектор, который транслирует ОГ непосредственно на вход в турбину. В этом случае турбина с двойным входом позволяет утилизировать ОГ из двух групп цилиндров отдельно. В двигателях пассажирских автомобилей чаще используются неразделенные коллекторы и турбины с «однозаходным» корпусом. Это позволяет сделать коллектор компактнее и расположить турбину ближе к головке блока. Поскольку здесь сечение и длина газоподводящих каналов меньше, преимущества импульсного наддува нивелируются.

И все же в отдельных случаях турбины с двойным входом применяются в бензиновых моторах пассажирских автомобилей. Их преимущество — хорошая характеристика крутящего момента при низком давлении ОГ. В то же время им свойственны и недостатки – высокая термическая нагрузка разделяющей перегородки и дорогое производство маленьких корпусов с интегрированным байпасом, особенно, если в качестве материала нужно использовать литьевую сталь из-за больших температур.

Отклик

Для двигателей пассажирских автомобилей жизненно важную роль играют инерционные характеристики турбокомпрессора (ТК). Замедленная реакция на изменение положения педали акселератора, которую также называют «турбояма», часто воспринимается как фактор, снижающий управляемость автомобиля. В последние годы этот негативный эффект компенсирован применением ТК меньшего размера. У них меньше сечение проточной части и ниже инерция ротора как результат применения колес меньшего диаметра. Таким образом, при увеличении частоты вращения турбокомпрессора приходится раскручивать ротор меньшей массы. Момент инерции турбинного колеса также может быть снижен путем удаления сегментов опорного диска между лопатками. В еще большей степени динамические характеристики ТК могут быть улучшены применением турбин с изменяемой геометрией проточной части.

Оптимальные условия для потока и низкие потери тепла достигаются в интегрированных системах наддува с отлитыми заодно выпускным коллектором и корпусом турбины, что оборачивается улучшенными характеристиками отклика. Прочие аргументы за применение таких систем – сокращение веса до 1 кг, а также увеличение свободного пространства между двигателем и пассажирской кабиной, что часто жизненно необходимо по соображениям безопасности.

Керамические колеса турбин

В сравнении с металлическими колесами керамические турбинные колеса существенно легче, что улучшает характеристики отклика (чувствительность) турбокомпрессора. Современные керамические материалы позволили разработать такие колеса, пригодные для массового производства. Однако керамические материалы очень хрупкие и могут быть легко разрушены при попадании посторонних частиц. Более того, лопатки таких турбин толще и поэтому их эффективность ниже, так что они редко используются в автотехнике.

Алюминид титана имеет такую же плотность как керамика. Этот материал сравнительно менее подвержен разрушению, а лопатки такие же тонкие как металлические. Его недостаток – низкая температурная стойкость (максимум 700°С).

Типовая карта режимов компрессора. Рабочая область карты режимов ограничена линиями помпажа, насыщения и предельно допустимой частоты вращения.

Водоохлаждаемые корпуса

При разработке турбокомпрессоров (ТК) также должны учитываться аспекты безопасности. Например, в судовых моторных отсеках следует избегать горячих поверхностей из-за опасности пожара. Поэтому корпуса турбин ТК для морского применения изготавливаются с водяным охлаждением или с покрытием изолирующими материалами.

Система управления

Тяговые характеристики современных турбодвигателей должны отвечать таким же высоким требованиям, как и характеристики атмосферных моторов с идентичными мощностными параметрами. Это означает, что полное давление наддува должно быть доступно, начиная с минимально возможных частот вращения двигателя. Это, в свою очередь, может быть достигнуто только путем управления турбокомпрессором на турбинной стороне.

Байпасное регулирование на турбинной стороне

Установка байпасного клапана в турбинной части турбокомпрессора (ТК) – самый простой способ контроля давления наддува. Геометрические параметры турбины выбирают таким образом, чтобы обеспечить характеристику крутящего момента на низких оборотах, необходимую для достижения заданных динамических показателей автомобиля. При такой конструкции ТК уже незадолго до достижения максимального крутящего момента на турбину начинает поступать избыточное количество отработавших газов. Таким образом, как только номинальное давление наддува достигнуто, избыток отработавших газов направляется по байпасному каналу в обход турбинного колеса. Клапан «вейстгейт», который открывает и закрывает байпас, обычно приводится в действие пневматической камерой с подпружиненной диафрагмой, реагирующей на давление наддува. Так по мере дальнейшего увеличения оборотов двигателя давление наддува остается на неизменном уровне.

В этом, очень экономичном, решении на диафрагму камеры управления, предварительно нагруженную спиральной пружиной, воздействует давление наддува. Как только давление наддува преодолеет силу предварительного сжатия пружины, шток через рычаг открывает тарелку байпасного клапана и ОГ начинают перетекать вокруг турбины в систему выпуска.

В современных бензиновых и дизельных двигателях все чаще применяются электронно управляемые системы контроля наддувочного давления. В сравнении с чисто пневматическим регулированием, которое действует только как ограничитель давления на полной нагрузке, гибкое управление позволяет устанавливать оптимальное давление наддува в режимах частичной нагрузки. Электронное регулирование работает в соответствии с различными параметрами, такими как температура наддувочного воздуха, качество топлива и параметры опережения впрыска (зажигания). Также становится возможным кратковременный «перенаддув» при интенсивном ускорении.

Механический привод байпасной заслонки действует так же как и в описанном выше случае. Вместо полного давления наддува на диафрагму камеры управления подается модулированное управляющее давление. Оно меньше полного давления наддува и вырабатывается так называемым пропорциональным клапаном. Этим достигается то, что на диафрагму воздействует комбинация давления наддува и давления на выходе из компрессора в изменяющейся пропорции. Пропорциональный клапан управляется электроникой двигателя и срабатывает с частотой от 10 до 15 Гц. В сравнение с обычной системой управления усилие предварительного сжатия пружины существенно ниже, что позволяет осуществлять регулирование также и на режимах частичной нагрузки, то есть, при меньшем давлении наддува.

В электронных системах управления турбокомпрессоров дизельных двигателей пневмокамеры регулируются вакуумом.

Турбины с изменяемой геометрией

Байпасные системы регулирования управляют мощностью турбины, направляя часть отработавших газов (ОГ) в обход нее. Таким образом, «дармовая» энергия газов используется не полностью. Турбины с изменяемой геометрией позволяют варьировать сечение проточной части турбины в зависимости от режима работы двигателя. Это дает возможность полностью утилизировать энергию ОГ, оптимизируя конфигурацию канала, по которому ОГ попадают на турбинное колесо, для данного режима двигателя. Как результат, эффективность турбокомпрессора (ТК) и, соответственно, двигателя выше тех, что удается достичь при байпасном регулировании.

Сегодня турбины с РСА в виде подвижных направляющих лопаток (VNT, VTG, VGT) – самое передовое решение для современных легковых дизельных автомобилей. В результате непрерывной адаптации проходного сечения турбинного канала к рабочему режиму двигателя сокращаются потребление топлива и вредные выбросы. Высокий крутящий момент уже на низких оборотах и адекватная стратегия управления обеспечивают существенное улучшение динамических характеристик.

Подвижные направляющие лопатки между корпусом улитки и турбинным колесом влияют на протекание процесса восстановления давления и, таким образом, на выходные характеристики турбины. Это позволяет варьировать поток газов через турбину в диапазоне 1:3 при хороших уровнях эффективности. На низких оборотах сечение проточной части турбины уменьшается путем закрытия направляющих лопаток. Давление наддува и, следовательно, крутящий момент двигателя возрастают как результат увеличения перепада давления на входе и выходе из турбины. С повышением оборотов двигателя управляемые лопатки постепенно открываются. Требуемое давление наддува достигается при низком перепаде давления на турбине — так достигается сокращение расхода топлива. При ускорении машины с низкой скорости (оборотов двигателя) управляемые лопатки закрываются для получения максимальной энергии от ОГ. По мере увеличения скорости лопатки открываются и адаптируются к соответствующему рабочему режиму.

В настоящее время управление лопатками преимущественно электронное, с помощью вакуумно-регулируемой камеры управления и пропорционального клапана. В будущем все чаще будут применяться электрические приводы с положительной обратной связью, позволяющие реализовать точное и чрезвычайно гибкое управление давлением наддува.

Температура ОГ современных высокоэффективных дизельных двигателей может достигать 830°С. Точная и надежная работа управляющих лопаток в потоке горячих газов предъявляет высокие требования к материалам и точности допусков в конструкции турбины. Независимо от типоразмера турбокомпрессора направляющие лопатки должны иметь минимальные зазоры для обеспечения надежной работы в течение всего срока службы автомобиля. С уменьшением размера ТК относительные потери потока через турбину возрастают и ее эффективность падает. Поэтому цель многих разработок – отодвинуть эти ограничения области применения технологии VTG как можно дальше в сторону ТК малых размеров.

Альтернативное решение – турбины с регулирующим механизмом в виде подвижного (скользящего) кольца (VST-variable sliding turbine). Простота конструкции и исполнение многих функций небольшим количеством компонентов – преимущества для маленьких турбин или там, где требуется работа в условиях высоких температур ОГ. Это особенно применимо в компактных дизельных двигателях с рабочим объемом менее 1,4 л. Преимущества – высокая эффективность, низкая цена и сокращение установочных размеров. Для бензиновых моторов с высокой температурой ОГ технология VST – надежная возможность управления давлением наддува путем изменения геометрии проточной части турбины.

Прочный механизм VST противостоит высоким температурам ОГ значительно лучше, чем VTG с направляющими лопатками. Байпас, который для бензиновых двигателей необходим даже в ТК с изменяемой геометрией из-за большого диапазона изменения расхода, интегрирован в механизм управления.

Корпус турбины аналогичен турбинам с двойной улиткой (с двухканальным направляющим аппаратом). Перегородка, разделяющая каналы, не выходит на впускной фланец, а начинается внутри улитки. На низких оборотах двигателя открыт только один канал. Второй канал, который закрыт скользящим кольцом, постепенно открывается по мере увеличения оборотов. Затем скользящее кольцо приоткрывает и байпасный канал, ведущий от входа в турбину по внешнему контуру скользящего кольца к выходу из турбины. Это дополнительно увеличивает расход газов через турбину. Для регулирования сечения проточной части и открытия байпасного канала требуется всего один управляющий механизм. Могут быть использованы как пневматический, так и электронный приводы.

Узел подшипников

Ротор турбокомпрессора (ТК) вращается с частотой до 300 000 мин -1. Срок службы ТК должен соответствовать ресурсу двигателя, который может составлять 1 000 000 км пробега для коммерческого автомобиля. Только специально разработанные для ТК подшипники скольжения могут соответствовать таким жестким требованиям при приемлемой стоимости.

Опорные подшипники

В подшипнике скольжения вал вращается практически без трения на масляной пленке внутри втулки подшипника.

Масло подается в турбокомпрессор (ТК) от системы смазки двигателя. Подшипниковый узел спроектирован так, что между неподвижным корпусом и вращающимся валом расположены «плавающие» бронзовые подшипниковые втулки. Они вращаются с частотой, вдвое меньшей частоты вращения вала. Это позволяет высокоскоростным подшипникам адаптироваться таким образом, что на любых режимах работы ТК нет прямого контакта «металл-металл» между валом и подшипниками.

Кроме функции смазки масляная пленка в зазорах подшипника играет роль демпфера, который способствует стабилизации вала и турбинного колеса. Гидродинамическая несущая способность пленки и демпфирующие характеристики подшипника оптимизируются величиной зазоров. Таким образом, толщина смазывающей пленки для внутренних зазоров выбирается исходя из нагрузки на подшипник, в то время как толщина внешних зазоров определяется с учетом демпфирования подшипника. Зазоры в подшипниках составляют несколько сотых долей миллиметра. Увеличение зазоров приведет к более мягкому демпфированию и, одновременно, к снижению несущей способности подшипника.

Так называемый патрон — специальный вид опорного подшипника скольжения. Вал вращается в неподвижной целиковой втулке, снаружи которой прокачивается масло. Внешний зазор выбирается исключительно из условия демпфирования подшипника, так как патрон не проворачивается. Вытекающая из этого меньшая ширина подшипника позволяет создать более компактный ТК.

Упорный подшипник

Ни один из рассмотренных типов опорных подшипников, ни свободно плавающие втулки, ни фиксированный плавающий патрон, не воспринимают нагрузки в осевом направлении. Поскольку газы воздействуют на компрессорное и турбинное колеса в осевом направлении с разной силой, ротор турбокомпрессора (ТК) испытывает осевую нагрузку. Она воспринимается упорным подшипником скольжения с конической плоскостью (рабочей поверхностью). Два маленьких диска, закрепленных на валу, служат контактными поверхностями. Упорный подшипник фиксируется в центральном корпусе подшипников. Маслоотражающая пластина предотвращает попадание масла в зону уплотнения вала.

Слив масла

Масло подается в турбокомпрессор (ТК) при давлении примерно 4 бар. Поскольку масло сливается из турбины при меньшем давлении (самотеком), диаметр трубки для слива значительно больше, чем маслоподающей трубки. Проток масла через корпус подшипников должен быть по возможности вертикальным, сверху вниз. Сливная трубка должна выходить в картер выше уровня масла. Любое препятствие на пути слива масла оборачивается увеличением противодавления в корпусе подшипников. В этом случае масло начинает просачиваться сквозь уплотнительные кольца в компрессор и турбину.

Уплотнения

Центральный корпус подшипников должен быть уплотнен от прорыва в него горячих отработавших газов из турбины и от утечек масла из корпуса. Для этого в канавки на валу ротора, со стороны компрессора и турбины установлены разрезные кольца, аналогичные поршневым. Кольца не вращаются, а неподвижно расклинены в центральном корпусе. Это бесконтактное уплотнение, один из видов лабиринтного уплотнения. Благодаря многочисленным резким изменениям направления движения потока оно затрудняет утечку масла и пропускает в картер лишь небольшое количество отработавших газов.

Тепловая нагрузка на подшипники

Учитывая небольшое расстояние между центральным корпусом и горячим корпусом турбины, тепло может проникать в центральный корпус и нагревать масло до температуры коксования. Тогда масляный кокс мог бы осаждаться в зазорах и на поверхностях, засорять масляные каналы и нарушать работу подшипников и уплотнений. Большое количество углеводородных отложений может вызвать дефицит смазки и граничное трение, приводящие к ускоренному износу системы подшипников.

Тепловой экран и охлаждение разбрызгиванием масла<

Тепловой экран, расположенный позади опорного диска турбинного колеса, предотвращает контакт горячих отработавших газов с центральным корпусом. В некоторых конструкциях при работе двигателя масло распыляется на вал ротора через маленькое распылительное отверстие в опоре подшипника с турбинной стороны, охлаждая вал и уменьшая риск коксования.

Наивысшие температуры в центральном корпусе достигаются вскоре после останова двигателя. Горячий турбинный корпус нагревает систему подшипников, которая больше не охлаждается моторным маслом.

Термическая развязка

В расчете на термическую развязку правой подшипниковой опоры передача тепла от корпуса турбины к системе подшипников сокращается даже после того как двигатель был заглушен. Для этого систему подшипников располагают ниже точки подачи масла, так же как силовой агрегат размещают под крылом самолета. Правая подшипниковая опора больше не контактирует с горячей стенкой центрального корпуса, значит, передача тепла к системе подшипников ограничивается.

Водяное охлаждение

Бензиновые двигатели, у которых температура отработавших газов на 200-300°С выше чем у дизелей, обычно оснащаются турбокомпрессорами с охлаждаемыми центральными корпусами. При работе двигателя центральный корпус интегрируется в его контур охлаждения. После выключения двигателя остаточное тепло снимается посредством малого кольца циркуляции, которое задействуется электрическим насосом с термостатом.

Рециркуляционный клапан

В бензиновых турбодвигателях дроссельная заслонка, которая управляет нагрузкой двигателя, располагается после компрессора, во впускном коллекторе. В момент внезапного сброса газа заслонка закрывается, а компрессор из-за своей инерционности продолжает нагнетать воздух в почти замкнутый объем. Вследствие этого начался бы помпаж компрессора. Частота вращения турбокомпрессора (ТК) быстро упала бы.

Начиная с определенного давления, открывается подпружиненный клапан и направляет воздух обратно на вход в компрессор, ограничивая рост давления и исключая помпаж. Частота вращения ТК остается высокой, и давление наддува появится, как только будет задействован акселератор.

Компрессорные карты

Эта и следующая часть будут несколько сложнее первых двух, в них мы рассмотрим составляющие компрессорной карты, как оценить соотношение давлений и массовый расход воздуха вашего двигателя, а так же как рисовать точки на компрессорной карте для правильно подбора турбокомпрессора. И…положите рядом с собой калькулятор — он вам понадобится при изучении этой и следующей статьи Для начала обозначим и разъясним некоторые термины, с которыми нам придется столкнуться в этой статье: Понятие абсолютного и относительного давления. Под абсолютным давлением мы будем понимать давление относительно полного вакуума. Соответственно оно может быть только больше или равным нулю. На Земле на уровне моря оно принято равным одной атмосфере или 1атм. Под относительным давлением мы будем понимать давление относительно атмосферного. Соответственно оно может быть как положительным так и отрицательным, в зависимости от того больше или меньше оно чем атмосферное. Давайте рассмотрим их на примере давления во впускном коллекторе двигателя. Все наверняка видели в своей жизни приборы показывающие наддув. Такие приборы показывают именно относительно давление. На двигателе, работающем на холостом ходу, они показывают разряжение -0.65..-0.75атм. На наддуве мы можем видеть значения 1.0…2.0 и выше атмосфер. Всё это значения относительного давления. Абсолютные значения будут всегда на 1.0 больше, поскольку мы должны добавить одну атмосферу атмосферного давления, относительно которой прибор и показывает свои значения. Т.е. на ХХ абсолютное давление будет равно +0.25..+0.35, а на наддуве, соответственно 2.0..3.0.

Составляющие компрессорной карты

Компрессорная карта это график, описывающий конкретные характеристики компрессора в различных режимах его работы. Среди этих характеристик мы разберем: эффективность компрессора, диапазон массового расхода воздуха, возможности работы на разных давлениях наддува, а так же скорость вращения вала турбины. Ниже приведена типичная компрессорная карта с названиями ее составляющих. Рассмотрим их по порядку: По вертикальной оси у нас расположен Pressure Ratio, или соотношение давлений, величина, описываемая как отношение абсолютного давления на выходе из компрессора к абсолютному давлению на его входе: PR = Pcr/Pin Где: PR — соотношение давлений Pcr — абсолютное давление на выходе компрессора Pin — абсолютное давление на входе компрессора *Очень грубо говоря эта величина просто показывает во сколько раз компрессор сжал воздух. Как рассчитать Pressure Ratio: К примеру мы хотим рассмотреть ситуацию работы компрессора при 0.7 атм наддува в коллекторе. Для начала вспомним что наддув это относительное давление, а мы везде оперируем только абсолютным. Поэтому сразу добавляем к нему 1.0 атмосферного давления и дальше имеем в виду что у нас 1.7атм абсолютного давления в коллекторе . В нашем случае, при нормальном атмосферном давлении на входе в турбину, соотношение давлений будет таким: PR = Pcr/Pin = 1.7/1.0 = 1.7 Но на самом деле все несколько сложнее. В виду наличия в системе воздушного фильтра давление на входе в компрессор, как правило, несколько меньше атмосферного. В зависимости от размера и качества фильтра оно может быть меньше на 0.02-0.10атм. Допустим у нас оно меньше атмосферного на 0.05атм. Тогда наша формула приобретет следующий вид: PR = 1.7/(1.0-0.05) = 1.7 / 0.95 = 1.79 Повторим еще раз — для вычисления Pressure Ratio нам надо знать наддув для которого мы его считаем и разряжение на впуске перед компрессором. После этого PR = (1.0 + давление на выходе компрессора) / (1.0 — разряжение на впуске) В случае спортивной машины без воздушного фильтра, мы можем принять наш делитель всегда равным единице и просто считать PR = 1 + ДавлениеНаВыходе.

Air Flow или расход воздуха

По горизонтальной оси у нас расположен массовый расход воздуха. Это величина, показывающая, массу воздуха, проходящую за единицу времени через компрессор и, соответственно, дальше через двигатель. Исторически это величина на компрессорных картах выражается в lb/min или по-русски в фунтах воздуха за минуту времени. Фунт это 0.45кг, а минута это 60 секунд Поскольку, как мы уже проходили, мощность двигателя напрямую зависит от количества топливо-воздушной смеси которая проходит через него, массовый расход, это, одна из главных характеристик которую мы можем получить, изучая компрессорную карту. При прохождении через мотор 1 фунта воздуха в минуту, современные моторы вырабатывает в среднем 9-11 лошадиных сил мощности. Соответственно даже беглый взгляд на компрессорную карту может нам сказать, на какую потенциальную мощность мы можем рассчитывать с этой турбиной. На приведенном выше примере, область работы компрессора заканчивается примерно на 52 фунтах, соответственно эту турбину грубо можно сразу оценить на 500лс.

Как работает турбина дизельного двигателя

Мощность любого двигателя и производительность его работы зависит от целого ряда причин. А именно: от рабочего объёма цилиндров, от количества подаваемой воздушно-топливной смеси, от эффективности её сгорания, а также от энергетической части топлива. Мощность двигателя возрастает пропорционально росту количества сжигаемого в нём за определённую единицу времени горючего. Но для ускорения сгорания топлива необходимо увеличение запаса сжатого воздуха в рабочих полостях мотора.

То есть, чем больше за единицу времени сжигается горючего, тем большее количество воздуха потребуется «впихнуть» в мотор (не очень красивое слово «впихнуть» здесь, тем не менее, очень хорошо подходит, поскольку сам мотор не справится с забором избыточного количества сжатого воздуха, и фильтры нулевого сопротивления в этом ему не помогут).

В этом, повторимся, и состоит основное назначение турбонаддува – в наращивании подачи воздушно-топливной смеси в камеры сгорания. Это обеспечивается нагнетанием сжатого воздуха в цилиндры, которое происходит под постоянным давлением. Оно происходит вследствие преобразования энергии отработанных газов, проще говоря, из бросовой и утерянной – в полезную. Для этого, прежде чем выхлопные газы должны быть выведены в выхлопную трубу, а далее и, соответственно, в атмосферу, их поток направляется через систему турбокомпрессора.

Этот процесс обеспечивает раскручивание колеса турбины («крыльчатки»), снабжённого специальными лопастями, до 100-150ти тысяч оборотов в минуту. На одном валу с крыльчаткой закреплены и лопасти компрессора, которые нагнетают сжатый воздух в цилиндры двигателя. Полученная от преобразования энергии выхлопных газов сила используется для значительного увеличения давления воздуха. Благодаря чему и появляется возможность впрыскивания в рабочие полости цилиндров гораздо большего количества топлива за фиксированное время. Это даёт значительное увеличение как мощности, так и КПД дизеля.

Дизельная турбина в разрезе

Проще говоря, турбосистема содержит две лопастных «крыльчатки», закреплённых на одном общем валу. Но находящихся при этом в отдельных камерах, герметично отделённых друг от друга. Одна из крыльчаток вынуждена вращаться от постоянно поступающих на её лопасти выхлопных газов двигателя. Поскольку вторая крыльчатка с нею жёстко связана, то и она также начинает вращаться, захватывая при этом атмосферный воздух и подавая его в сжатом виде в цилиндры двигателя.

Граница Surge

Граница Surge это крайняя левая линия компрессорной карты. Работа компрессора левее этой границы, т.е. за пределами обозначенной компрессорной картой, связанна с нестабильностью воздушного потока, всплесками и провалами наддува. Длительная работа компрессора в таком режиме приводит к преждевременному выходу его из строя в виду большой переменной нагрузки на подшипники и крыльчатку компрессора. Турбина может попасть в режим Surge в одном из двух случаев. Первый самый распространенный — при резком закрытии дросселя, когда массовый расход воздуха через мотор резко падает, но турбина все еще вращается достаточно быстро. Это мгновенно перебрасывает нас влево по компрессорной карте в зону Surge. Но быстрое срабатывание Blow Off клапана восстанавливает расход воздуха через турбины, выпуская избыток наддутого воздуха в атмосферу. Второй случай — возникновение Surge на режиме полной нагрузки, обычно на низких оборотах, когда турбина только начинает выходить на наддув. Он значительно более опасен, поскольку может продолжаться относительно долго, особенно на высоких передачах. Как правило, это связанно со слишком большой скоростью вращения турбины и большом создаваемом давлении в компрессоре, при относительно малом общем расходе воздуха через мотор. Обычно наблюдается на гибридах с маленькой горячей частью, маленьким A/R горячей части и большой компрессорной частью. Еще одним способом, помогающим снизить вероятность попадания компрессора в зону Surge является использование компрессорного хаузинга с так называемым Ported Shroud. Фактически это обводные воздушные каналы, встроенные в компрессорный хаузинг: Благодаря этим каналам удается сместить границу Surge левее по компрессорной карте, за счет того что часть воздуха может выйти из компрессора назад во впуск. Это позволяет при прочих равных использовать больший компрессор на меньшей турбинной части без возникновения эффекта Surge. Ниже приведено сравнение двух компрессорных карт: с обычным компрессорным хаузингом и со встроенными обводными каналами: Видно, что есть довольно значительная область карты красного цвета, которая является рабочей для турбины с портированным компрессорным хаузингом, но при этом находится левее границы Surge карты синего цвета, соответствующей обычному хаузингу. Как это выглядит в реальной жизни? Ниже приведено фото двух турбин 30й серии, первая 3071 без Ported Shroud, вторая 3076 с заводским Ported Shroud Так же бывает возможность доработки заводского компрессорного хаузинга под Ported Shroud, если с завода он не был изготовлен. Например в случае GT3582R это выглядит так: Посмотрим еще раз на нашу компрессорную карту и рассмотрим последние три составляющих: Предельная граница эффективности, Зоны эффективности компрессора и Скорость вращения турбины

Особенности эксплуатации турбированных двигателей

На режимах разгона автомобиля в силу инерционности системы возникает явление, получившее название «турбояма». Сущность явления заключается в следующем:

• Автомобиль движется с небольшой постоянной скоростью.
• Турбина вращается в соответствующем режиме.
• При резком нажатии на педаль ускорения в цилиндры двигателя подается больше топлива.
• После его сгорания образуются отработавшие газы, которые с большей силой воздействуют на турбину и увеличивают мощность двигателя. Однако происходит это с некоторой временной задержкой.

Таким образом, между моментом нажатия на педаль и фактическим ускорением автомобиля присутствует некоторая временная задержка — «турбояма». Также данное явление проявляется в виде недостатка крутящего момента на малых оборотах двигателя.

Виды систем турбонаддува

Производители разработали различные способы избавления от «турбоямы»:

• Турбина с изменяемой геометрией. Конструкция предусматривает изменение сечения входного канала. За счет этого выполняется регулирование потока отработавших газов.
• Два турбокомпрессора, установленных последовательно (Twin Turbo). На каждый режим работы (обороты двигателя) предусматривается свой компрессор.
• Два турбокомпрессора, установленных параллельно (Bi Turbo). Схема разбиения на две турбины снижает инерцию системы, и турбояма становится не так ощутима.
• Комбинированный наддув. Устройство предусматривает и механический, и турбонаддув. Первый включается при низких оборотах, второй при высоких.

Что такое турботаймер и для чего он необходим

Другой стороной инерционности системы с турбокомпрессором является необходимость снижать обороты постепенно. Нельзя резко выключать зажигание после того, как двигатель работал на высоких оборотах. Это обусловлено тем, что подшипники будут продолжать вращение, а поскольку масло не будет подаваться в систему — возникнет повышенное трение. Оно, в свою очередь, спровоцирует быстрый износ вала турбины.

Для решения этой проблемы применяется турботаймер. Это устройство устанавливается на приборной панели и подключается в цепь зажигания. После выключения зажигания ключом система запускает таймер, который глушит двигатель спустя некоторое время, давая возможность турбине снизить обороты до приемлемых значений.

Скорость вращения турбины

Линии, обозначенные на карте как скорость вращения турбины, показывают с какой скоростью будет вращаться вал турбины в этой области. Значения выражаются в оборотах вала за минуту времени. С ростом скорости вращения турбины у нас увеличивается давление и/или расход воздуха через компрессор. Как видно, эти линии начинают сходиться в области границы зоны эффективности и, как уже было сказано выше, за пределами этой области скорость вращения турбины быстро увеличивается за пределы допустимого. На этом мы заканчиваем рассмотрение компрессорной карты и теперь, понимая что на ней изображено, в следующей главе мы перейдем к изучению процесса подбора турбины под конкретный мотор. По материалам Garrett TurboTech. Перевод и адаптация Oleg Coupe (TurboGarage)