Вид топлива, который используется в транспортном средстве, является той основой, вокруг которой все верится. Двигатели, топливные системы, насосы и фильтры разрабатывались под конкретный класс горючего материала: керосин, нефть, бензин, соляра, масло и пр. В истории инженерных изобретений практически не было случая, чтобы химики изобрели новый вид топлива под конкретную механическую базу.
Этот принцип действует и при сравнении двух узлов, которые входят с силовой блок автомобиля: турбина. Для дизельных и бензиновых моторов узлы, которые выполняют одинаковую функцию, имеют внешнее конструктивное сходство и практически одинаковый комплект основных комплектующих, окажутся совершенно разными.
Отличия бензиновых и дизельных турбин
Основное отличие главных узлов турбонагнетателя — это использование различных материалов для крыльчатки и корпуса. Но по внешнему виду определить, на какой вид топлива предназначена та или иная турбина, может только механик-турбинист с большим стажем.
Лопасти турбины, независимо от того, на какой мотор она установлена, приводятся в движение потоком отработанного газа. В дизельных моторах после сгорания солярки температура газа на выпуске не превышает 850 о С, но дизтопливо может продолжать гореть и на выходе в выпускной коллектор. Для бензиновых моторов температура отработанного газа не опускается ниже 1000 о С.
Исходя из такой разницы в температуре газа, который будет раскручивать колесо турбины, корпус и лопасти агрегата должны изготавливаться из разных материалов.
Для крыльчатки турбины используют жаропрочные никельсодержащие металлы: GMR 235 (используется для крыльчатки при температуре выходного потока в 850 о С), Inconel 713 (в металле увеличено содержание хрома, используется для крыльчатки бензиновой турбины, материал рассчитан на пропуск выходного газа температурой до 1000 о С).
В качестве материала корпуса для дизельных турбин используется чугун серый (максимальная рабочая температура — 650 о С), чугун кремниево-молибденовый (максимальная рабочая температура — 720 о С), чугун с вермикулярным графитом GGV SiMo (макс. т. — 850 о С).
Для корпуса турбин, встраиваемых в бензиновый мотор, используются жаропрочные сплавы, способные выдержать долгосрочную температуру более 1000 о С (аустенитные стали, сплав NiResist 5).
Второе отличие материала турбин состоит в том, что бензиновые турбины рассчитаны на минимальное давление, которое оказывает отработанные бензиновые пары в выпускном коллекторе. Газы отработанного дизтоплива имеют давление в 3-5 раз выше.
Отсюда вытекает главный вывод — ставить бензиновую турбину на дизельный мотор и наоборот нельзя. Это спровоцирует детонацию и снизит эффективность каждого двигателя. Кроме этого, для бензиновых турбин практически не используется схема компрессора с изменяемой геометрией. Технологические решения VNT, VTG, VGT не адаптированы под высокие температуры выхлопа, который дает бензиновый мотор. Поэтому бензиновая турбина имеет в своей конструкции только главные детали.
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.
Особенности дизельной турбины
Дизельная, как и бензиновая турбина, относятся к навесному узлу мотора. Турбонагнетатель врезается в систему выпускного коллектора и для своей работы использует все двигательные системы: охлаждение и смазки, вентиляции картерного блока, впуска и выпуска отработанных газов.
Турбина нагнетает воздух в топливные цилиндры под высоким давлением. Ротор турбины раскручивается, пропуская через себя энергию отработанного топлива, и приводит в движение лопасти нагнетателя — происходит всасывание воздуха из атмосферы, сжатие его и подача в блок цилиндров. Скорость вращения турбинного ротора на некоторых дизельных моторах может доходить до 250 000 оборотов в минуту — этот показатель считается нормальным, но для некоторых турбокомпрессоров это граница допустимых возможностей.
Конструктивно турбина состоит из двух блоков: колесо турбинное и компрессорное. Поскольку колеса имеют лопасти, второе их название – крыльчатки. Оба блока фиксируются на роторном валу. Главные детали дизельной турбины:
- крыльчатка турбонагнетателя (входит в блок горячей улитки); • крыльчатка компрессора (блок холодной улитки); • блок подшипников; • корпус турбины; • роторный вал.
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.
Особенности турбинного блока как главного элемента нагнетателя
Горячая улитка пропускает через себя поток выхлопных газов при большой температуре. Проходя через улитку, газы разгоняются и приводят в движение роторный вал, затем через выходной клапан выбрасываются наружу. Скорость вращения турбины зависит от оборотов мотора — на холостых оборотах турбина практически не используется.
В каждом конструктивном типе дизельных турбин используется различное количество каналов для прохождения отработанного топлива, применяется электронная система управления потоком через изменяемую геометрию.
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.
Компрессорный блок
Часть турбины, через которую нагнетается атмосферный воздух, называют компрессором. Главные компоненты: корпус (холодная улитка), ротор. Ротор жестко установлен на общую ось с крыльчаткой турбины. При вращении первой происходит движение роторного колеса в обратном направлении. За счет вращения алюминиевых лопастей ротора воздух затягивается вихревым потоком, давление воздуха увеличивается за счет перехода потока с центра ротора на его стенки.
Двойная турбина задействуется на многоцилиндровых блоках
Воздушный фильтр, установленный на входе во впускной коллектор, препятствует попаданию грязи, мелкого мусора, и пр. в турбину.
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.
Конструкция оси турбины
В центральной части турбонагнетателя расположен осевой блок с узлами подшипников (радиальный, подшипники скольжения, упорный), который использует масляную систему двигателя. Чтобы ротор мог вращаться на предельной частоте максимальное количество времени, необходимо обеспечить масляной клин между валом и подшипниками во избежание прямого трения деталей, которые в процессе работы максимально прижимаются друг к другу. Если в турбине используется система неохлаждаемого корпуса, смазка обеспечит и отвод тепла от блока горячей улитки и вала.
Первая неисправность, которая встречается при ремонте турбин — это эксплуатация агрегата «на сухую», когда детали вращаются в режиме плохой смазки. В этом случае на корпусе турбины появляются следы перегрева, «цвет побежалости», детали быстро изнашиваются, происходит быстрое коксование картера, масляной трубки и всех комплектующих турбины.
Мифы о масляном фильтре
Показателен размер масляного фильтра на раллийном Peugeot 205 t16 group B
Развеем заблуждение некоторых автомобилистов, которые говорят, что своевременная замена масляного фильтра предотвратит износ движущих деталей турбины. В момент холодного пуска, равно и тогда, когда масляной фильтр засорился до своего критического уровня, предохранительный клапан фильтра приоткрывается, и часть масла всегда проникает в систему турбины, как и в масляную систему всего силового блока. Клапан останется в полуоткрытом или в полностью открытом состоянии до тех пор, пока масло не нагреется до своей нормы. Таким образом, все инородные частицы, взвеси, которые есть в масле, окажутся рано или поздно в турбине.
Особенности бензиновой турбины
Принцип работы турбонагнетателя для бензинового мотора ничем не отличается от дизельного — здесь используется та же схема. Отработанный бензин проходит в выпускной коллектор, в который врезан патрубок горячей улитки с расположенным в центральном боке лопастным колесом. Выхлопные газы раскручивают турбинное колесо, которое передает силу вращения по оси на колесо компрессора. Отработанные газы выводятся наружу. За счет вращения ротора происходит закачивание в холодную улитку атмосферного воздуха, который поступает в цилиндры мотора. Топливо начинает интенсивнее гореть и увеличивать обороты двигателя.
Многие автомобилисты, которые устанавливают турбину на бензиновые двигатели своих авто или приобретают заводскую комплектацию с турбонаддувом, кроме радости, что мотор на 20-30% увеличил мощность, полка момента достаточно ровная в большем диапазоне оборотов, отработанные газы попадают под норму протокола Евро5, отмечают большие сложности в эксплуатации автомобиля.
Эффект от полного сгорания топлива и экономии на заправке нивелируется большой требовательностью силового блока к качеству бензина, и, главное, масла, ассортимент которого для турбированных бензиновых моторов ограничен. Менять масляной фильтр потребуется через 5-6 тысяч км пробега.
Кроме этого, бензиновая турбина в три раза чаще, чем дизельная, становится причиной детонации. Это связано с плохим качеством топлива и неисправностью в работе интеркулера (охладителя воздуха).
Хотя производители и заявляют срок службы турбины в пределах срока работы «родного» двигателя, на практике дизельная турбина служит 30-45% от ресурса мотора, бензиновая — 15-25%.
Об истории изобретения и внедрения турбонаддува
Итак, идея «пустить в дело» энергию отработанных выхлопных газов появилась уже вскоре после изобретения и успешных опытов применения двигателей внутреннего сгорания. Немецкие инженеры и первопроходцы автомобиле- и тракторостроения, во главе с Дизелем и Даймлером, провели первые опыты по повышению мощности двигателя и снижению расхода топлива с помощью нагнетания сжатого воздуха от выхлопов.
Готдиб Даймлер выпускал вот такие автомобили, а уже задумывался о внедрении системы турбонаддува
Но первым, кто построил первый эффективно работающий турбокомпрессор, стали не они, а другой инженер – Альфред Бюхи. В 1911 году он получил патент на своё изобретение. Первые турбины были таковы, что использовать их было возможно и целесообразно только на крупных двигателях (например, судовых).
Далее турбокомпрессоры начали использоваться в авиационной промышленности. Начиная с 30-х годов ХХ века, в Соединённых Штатах регулярно запускались в «серию» военные самолёты (как истребители, так и бомбардировщики), бензиновые двигатели которых были оснащены турбонагнетателями. А первая в истории грузовая автомашина с турбированным дизельным мотором была сделана в 1938 году.
В 60-е годы корпорация «Дженерал Моторс» выпустила первые легковые «Шевроле» и «Олдсмобили» с бензиновыми карбюраторными двигателями, оснащёнными турбонаддувом. Надежность тех турбин была невелика, и они быстро исчезли с рынка.
Oldsmobile Jetfire 1962 года – первый серийный автомобиль с турбонаддувом
Мода на турбированные моторы вернулась на рубеже 70-х/80-х, когда турбонаддув начали широко использовать в создании спортивных и гоночных автомобилей. Приставка «турбо» стала чрезвычайно популярной и превратилась в своеобразный лейбл. В голливудских фильмах тех лет супергерои нажимали на панелях своих суперкаров «магические» кнопки «турбо», и машина уносилась вдаль. В реальной же действительности турбокомпрессоры тех лет ощутимо «тормозили», выдавая существенную задержку реакции. И, кстати, не только не способствовали экономии топлива, а наоборот, увеличивали его расход.
Труженик советских полей – трактор К-701 «Кировец» с турбонаддувом
Первые действительно успешные попытки внедрения турбонаддува в производство автомобильных двигателей серийного производства осуществили в начале 80-х годов «SAAB» и «Mercedes». Этим передовым опытом не замедлили воспользоваться и другие мировые машиностроительные компании.
В Советском Союзе разработка и внедрение в «серию» турбированных двигателей была связана, прежде всего, с развитием производства тяжёлых промышленных и сельскохозяйственных тракторов – «ЧТЗ», «Кировец»; суперсамосвалов «БелАЗ» и т.п. мощной техники.
Почему в итоге турбины получили распространение именно на дизельных, а не бензиновых двигателях? Потому что дизельные моторы имеют гораздо большую степень сжатия воздуха, а их выхлопные газы – более низкую температуру. Соответственно, требования к жаропрочности турбины гораздо меньше, а её стоимость и эффективность использования – гораздо больше.
Тюнинг карбюраторного и инжекторного мотора
Бензиновые инжекторные двигатели проектируются производителем под рабочую турбину на этапе расчетов силы коленвала и объема цилиндров. В турбированный атмосферник закладываются усиленные параметры всех деталей двигателя, от дополнительного хромирования выхлопного патрубка до уплотненных колец.
В случае с дизельными моторами такого нет — почти 95% всех дизелей проектируется или уже с турбокомпрессором, или с учетом установки турбины если не в базовом комплекте, то при тюнинге.
При тюнинге инжекторного мотора переделке подлежит в первую очередь коленчатый вал — его потребуется усилить минимум на 30%. Система выпуска и впуска также потребует переделки и установки фланцев под турбину, дополнительная система маслоподачи должна стабильно крепиться. В этом случае используют технические отверстия в картере, которые забиты заглушками.
Турбина на карбюраторные моторы никогда не проектировалась в условиях КП завода-производителя. Были ограниченные серии карбюраторных турбированных авто, но не для гражданского населения. Но тюнинговать карбюраторный двигатель, увеличив его производительность турбиной, вполне возможно. При переделке карбюраторного мотора под турбину следует учесть главные особенности:
- Интеркулер (радиатор) должен оптимально охлаждать сжатый воздух перед подачей в цилиндры, чтобы предотвратить возможность детонации. 2. Сложность при замене жиклеров на аналогичные большего диаметра. 3. Требуется увеличить объем камеры сгорания и установить дополнительные прокладки, чтобы избежать детонации.
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.
Проблемы турбоямы
Что такое турбояма, отлично знают все водители, чьи автомобили оснащены моторами с нагнетателем воздуха — это провал мощности двигателя на несколько секунд во время выжатой педали газа и затем резкий скачок оборотов, когда даже со стороны видно, что автомобиль на ровном месте тряхнуло.
Технически эффект происходит за счет того, что крыльчатка турбины не может быстро раскрутиться на низких оборотах мотора. Минимальная скорость вращения коленвала и не разогретое масло препятствуют тому, чтобы в цилиндры поступало достаточное количество воздуха. Когда в процессе разогрева поступление кислорода увеличивается, резко растет и выхлоп, который в свою очередь позволяет нагнать в цилиндры больше кислорода. Топливо начинает быстро гореть и дает скачок в частоте оборотов.
Применение турбонаддува в мировом машиностроении
На дворе двадцать первый век, и никто уже не гонится за тем, чтобы название его легкового автомобиля было с модной в веке ХХ-м приставкой «турбо». Никто и не верит более в «магическую силу турбины» для резкого ускорения автомобиля. Смысл применения и эффективность работы системы турбонаддува всё-таки не в этом.
Вот это «улитка»!
Разумеется, наиболее эффективен турбонаддув при его использовании на двигателях тракторов и тяжёлых грузовиков. Он позволяет добавить мощности и крутящего момента без возникновения перерасхода топлива, что очень важно для экономических показателей эксплуатации техники. Там он и используется. Нашли своё широкое применение турбосистемы также на тепловозных и судовых дизелях. И это наиболее мощные из созданных человеком турбин для дизельного двигателя.
Проверенные производители
Делая выбор в сторону установки бензиновой или дизельной турбины, рекомендуется останавливаться на оригинальных агрегатах. Хотя многие ремонтники «турбинисты» скептически отзываются обо всех типах турбин, отмечая их быстрый износ, но оригинальные турбины все же отвечают своим характеристикам, хотя производители, ставя срок их эксплуатации равный сроку хода мотора, и кривят душой. К таким производителям можно отнеси торговые марки:
- IHI – США; • Borg Warner – Германия; • Garrett – США; • Holset – Англия.
Компания Holset выпускает турбины со скользящими лопастями, но агрегаты рассчитаны только на грузовые автомобили.
Если говорить о дизельных моторах, то для них установка турбины абсолютно оправдана — уже невозможно представить себе автомобиль, работающий на дизтопливе без системы турбокомпрессора. Если рассматривать бензиновые моторы, то выбор стандартного атмосферного двигателя во многих случаях предпочтительнее, чем установка турбины. Как альтернативу для увеличения мощности бензинового агрегата часто используют компрессор (supercharger) вместо классической турбины.
Добавьте ПроКроссоверы в избранное
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:
