Для получения более четкого представления о принципе работы турбокомпрессора, необходимо ознакомиться с системой функционирования двигателя внутреннего сгорания. На сегодняшний день, большинство дизельных легковых и грузовых автомобилей оснащаются 4-х тактными поршневыми двигателями, работа контролируется при помощи впускных и выпускных клапанов.
Каждый рабочий цикл состоит из 4 тактов при 2 полных оборотах коленвала.

• Впуск – при движении поршня вниз, воздух (в дизельном двигателе) или смесь топлива и воздуха (в бензиновом двигателе) проходит через
  открытый впускной клапан.

• Компрессия
  – происходит сжатие горючей массы.

• Расширение
  – смесь воздуха и топлива воспламеняется при помощи свечей (бензиновый двигатель), дизельное топливо впрыскивается под давлением и воспламенение происходит произвольно.

• Выпуск

  – при движении поршня вверх, выпускаются выхлопные газы.

Данные принципы работы предоставляют следующие пути увеличения эффективности работы двигателя:

Увеличение объема

Увеличение объема обеспечивает увеличение мощности двигателя, так как увеличение камеры сгорания позволяет нагнетание большего объема воздуха и большее количество сжигаемого топлива. Увеличение объема может быть достигнуто путем увеличения количества цилиндров или увеличения объема каждого цилиндра. В целом, увеличения объема приводит к увеличению массы двигателя. Этот способ не обеспечивает значительных преимуществ по уровню выбросов и потреблению топлива.

Увеличение скорости работы двигателя

Другим способом увеличения мощности двигателя является увеличение скорости работы двигателя. Увеличение скорости проводится путем увеличения количества ходов поршня на единицу времени. Однако, по техническим причинам этот способ имеет жесткие ограничения. Увеличение скорости работы двигателя приводит к увеличению потерь при накачивании и других операциях, что вызывает падение эффективности работы.

Турбокомпрессия

При применении двух первых способов, двигатель обеспечивается только собственным нагнетанием. Воздух для сгорания проходит прямо в цилиндр во
время впускного такта. При использовании турбокомпрессора, воздух, поступающий в камеру сгорания предварительно сжимается. В двигатель поступает тот же объем воздуха, однако, более высокое давление обеспечивает прохождение большего количества воздушной массы, что позволяет увеличить объем сжигаемого топлива. Таким образом, при использовании турбокомпрессора, мощность двигателя увеличивается по отношению к его объему и количеству потребляемого топлива.

Охлаждение нагнетаемого воздуха

В ходе компрессии, нагнетаемый воздух нагревается до 180 С. При охлаждении, плотность воздуха увеличивается, что позволяет увеличить объем нагнетаемого воздуха.
Охлаждение нагнетаемого воздуха является одной из немногих мер по увеличению мощности двигателей внутреннего сгорания, которые положительно влияют на уровень потребления топлива и уровень выброса вредных веществ. Снижение температуры входящего воздуха обеспечивает снижение температуры
сгорания и, таким образом, снижение количества вырабатываемого NO (x).
Увеличение плотности воздуха снижает расход топлива и уровень загрязнения
окружающей среды.

Существуют два типа турбокомпрессии – механическая турбокомпрессия и компрессия выхлопных газов.

Механическая турбокомпрессия

При механической турбокомпрессии, воздух сжимается при помощи компрессора,
приводимого от двигателя. Однако, часть получаемого увеличения мощности уходит на привод компрессора. В зависимости от размера двигателя, мощность, необходимая
для привода компрессора составляет от
10 до 15% от общей выработки двигателя.
Таким образом, при сравнении с обычным
двигателем такой же мощности, двигатель
с механической турбокомпрессией имеет
повышенный расход топлива.

Турбокомпрессия выхлопных газов

При использовании компрессии выхлопных газов, энергия газа, которая не используется в обычных условиях, направлена на привод турбины. Компрессор находится на одном валу с турбиной и обеспечивает забор, сжатие и подачу воздуха в камеру сгорания. В этом случае механические соединения
с двигателем отсутствуют. Преимущества турбокомпрессии выхлопных газов.

• По сравнению с обычным двигателем такой же мощности, турбодвигатель имеет меньший расход топлива, так как часть энергии выхлопных
  газов способствует увеличению мощности двигателя. Меньший объем двигателя сокращает термические и др. потери.

• Турбодвигатель имеет значительно лучшее соотношение
  веса к мощности, т.е. Kw / кг.

• Необходимая площадь двигательного отсека турбодвигателя меньше, чем у обычного двигателя.

• При использовании турбодвигателя, возможно дальнейшее улучшение характеристик крутящего момента для поддержания мощности, близкой к максимальной при очень низкой скорости двигателя, что позволяет избежать частого переключения скоростей при езде в гористой местности.

• Турбодвигатели имеют значительно лучшие характеристики
  работы в условиях высокогорья. В условиях пониженного давления обычный двигатель теряет значительную часть мощности. В противоположность, рабочие характеристики турбодвигателя улучшаются вследствие
  увеличения разницы между постоянным давлением вверх по соединениям турбины и пониженным внешним давлением у входа турбины. Низкая плотность воздуха у входа компенсируется, обеспечивая почти нулевую потерю мощности.

• Так как турбодвигатель имеет меньшие размеры, а соответственно и площадь шумовыделяющей поверхности, его шумовые характеристики лучше, чем у обычных двигателей. В данном случае, турбокомпрессор действует как добавочный глушитель.

Эксплуатация турбин

Правильная эксплуатация вaжна для продления службы турбокомпрессора.

Самые распространенные ошибки.
Особое внимание к системам смазки и впуска выявляет 2 главные причины поломки турбокомпрессора. Чтобы их избежать, нужно убедится :

• Воздушный и масляной фильтры регулярно проверяются в соответствии с рекомендациями производителя.
• То же самое выполняется и с интервалами обслуживания двигателя.
• Двигатель и оборудование используется так, что это не вредит сроку службы турбины.

Вы можете добиться максимального срока службы турбины, если будете следовать нескольким правилам:

Запуск турбины

Когда запускаете двигатель, используйте минимальный газ
и держите двигатель на холостых оборотах минимум 1 минуту.

Полное рабочее давление создается за секунды, но оно только позволяет разогнать движущиеся части турбины в условиях при хорошей смазки. Газовать на двигателе, который лишь несколько секунд назад завелся – значит заставлять турбину вращаться на высоких скоростях в условиях ограниченной смазки. Это может привести к преждевременной поломки турбокомпрессора.

После ремонта

После ремонта турбины или двигателя, убедитесь, что, турбина смазана, добавлением чистого моторного масла до заполнения через входной
масляный патрубок. После этого проверните коленвал не заводя двигатель, чтобы
масло начало циркулировать по системе под давлением. Заводя двигатель, дайте
ему поработать на холостом ходу несколько минут, чтобы убедиться, что система
смазки и подшипники турбины работают удовлетворительно.

Низкая температура и редкий запуск турбины

Если двигатель эксплуатировался некоторое время, или если температура воздуха
очень низка, проверните двигатель перед запуском, а затем запустите на холостых
оборотах. Это позволяет маслу циркулировать и заполнить систему прежде, чем большие нагрузки.

Выключения

Дайте остыть турбокомпрессору перед выключением зажигания. При нагруженном двигателе, турбокомпрессор работает на очень высоких оборотах и при высокой температуре.
Быстрое выключение зажигания или «горячее выключение» создает быстрые переходные процессы и перепады температур в турбине и уменьшает жизнь
турбокомпрессора.

Холостые обороты

Желательно не оставлять двигатель долго работающим на холостых оборотах (более 20-30 минут). При холостых оборотах, турбина генерирует низкое
давление и возможны протекания паров масла через соединения турбины.

Это не приносит никакого реального вреда для турбины, только придает синий дым
к выхлопу двигателя.

Устройство турбокомпрессора

1. Улитка турбины 2. Крыльчатка турбины 3. Улитка компрессора 4. Крыльчатка компрессора 5. Система подшипников

Улитка компрессора

Улитка турбины изготавливается из различных сортов сфероидированного чугуна, чтобы противостоять тепловому воздействию и разрушению крыльчатки. Как и крыльчатка, профиль улитки обработан до полного соответствия форме лопастей крыльчатки.
Впускной фланец улитки турбины работает как установочная база для закрепления турбины, несущая нагрузку.

Параметры:

• Обычно это сплав железа со  сферойдным графитом
• Обычно это установочная база, несущая вес всей турбины
• Требования

– ударопрочность

– стойкость к окислению

– жаропрочность

– жаростойкость

– легкость механической обработки

Крыльчатка турбины

Крыльчатка турбины установлена в корпусе турбины и соединена штифтом, который вращает крыльчатку компрессора.

Параметры:

• качественное покрытие из никелевого сплава
• сделана из прочных и стойких сплавов
• выдерживает температуры работы до 760 °C
• Основные требования

– стойкость к изнашиванию

– стойкость к деформациям

– стойкость к коррозии

Улитка компрессора

Улитка компрессора отлита из алюминия. Используются различные сплавы для
различных типов компрессоров. Используются как вакуумное литье так «песочное»
литье. Точная финальная обработка для соблюдения размеров и качества
поверхностей, необходимые для нормальной работы турбины.

Параметры:

• Обычно изготовлена из различных алюминиевых сплавов
• точные размеры и формы profile machining to match impeller blade shape
• рабочие температуры до 200 °C
• Основные требования

– Прочность к ударным и механическим нагрузкам
– качество обработки и точные размеры

Крыльчатка компрессора

Сделана из алюминиевых сплавов методом литья.
Для литья используется резиновая форма. По ней делается форма для литья и в нее заливается расплавленный металл. Точные размеры лопастей крыльчатки и точная механическая обработка важны для нормальной работы компрессора.
Расточка и полирование повышает коэффициенты сопротивления усталости.
Крыльчатка расположена на сборке вала.

Параметры:

• обычно алюминиевый сплав (Cu-Si)

• начало использования этотого процесса литья в 1976
• Основные требования
– высокое сопротивление усталости

– высокое сопротивление растяжению

– высокое сопротивление коррозии

– на некоторых моделях крыльчаток, для очень мощной и продолжительной работы при больших температурах, лопасти изготавливаются из титана

Система смазки подшипников

Серый металлический корпус системы подшипника броска обеспечивает местоположения для плавающей системы подшипника для вала, турбины и компрессора, который может вращаться до 170,000 оборотов/минут.

Параметры:

• обычно сделана из металла

• в производстве и обработки использованы шлифовка, расточка, сверление и
полировка
• сложная геометрическая конструкция для охлаждения
• Основные требования
– качество обработки

– жесткость

– термостойкость

Система подшипников

Система подшипника должна противостоять высоким температурам, переключениям режимов работы, наличию грязи в смазке и т.д.

Подшипники изготовлены из специально разработанных бронзовых
или медных сплавов. Специально разработанный производственный процесс
предназначен, чтобы создать подшипники с необходимыми качествами термостойкости и износостойкости.
Укрепленные стальные упорные кольца и масляные проточки особенно точно изготовлены. Осевое давление поглощается бронзовым гидродинамическим подшипником осевого давления, расположенным в конец сборки вала. Точная калибровка обеспечивает равномерную нагрузку  подшипника.

Турбина
– кто она?

Еще полвека назад на серийных моторах стали появляться Turbo. Это магическое слово настолько глубоко проникло в наш лексикон, подчеркивая невероятную мощь и скорость. А ведь автомобильная газовая турбина — это всего лишь колесо с лопатками, вращающееся в улиткообразном корпусе. Да и принцип ее действия
подозрительно напоминает  тысячелетней давности водяные мельницы…
Существуют несколько путей увеличения эффективности
работы двигателя:

1. Увеличение объема обеспечивает
увеличение мощности двигателя и
может быть достигнуто путем увеличения
количества цилиндров или увеличения объема каждого цилиндра. В целом все
эти манипуляции приводят к увеличению массы двигателя, к тому же этот способ не обеспечивает значительных преимуществ по уровню выбросов и потреблению топлива.

2. Другим способом наращивания мощности двигателя является увеличение скорости работы двигателя за счет количества ходов поршня на единицу времени. Однако по техническим причинам этот способ имеет жесткие ограничения: чем выше скорость работы двигателя, тем больше процент механических потерь, а это чревато падением эффективности работы.

3. Применение турбокомпрессора. Мощность мотора тем выше, чем больше топлива мы сможем сжечь в его цилиндрах в процессе каждого рабочего цикла. Большее количество бензина (или солярки) требуется для эффективного сгорания и соответствующего увеличения массы подаваемого в цилиндры
воздуха. Для этого его сжимают, то есть разными способами увеличивают давление воздуха на входе в двигатель.
С точки зрения прироста мощности наддув — решение чрезвычайно эффективное. К примеру, если избыточное давление во впускном коллекторе увеличить до 1 кг/см2 (это вполне реальная величина), то количество воздуха, попадающее в цилиндр на такте впуска, увеличится почти вдвое! Столь же существенно (если не учитывать некоторые потери, возникающие в реальном моторе) вырастет и мощность.
Конечно, бесплатного сыра не бывает. Наддув — не только эффективный,
но и весьма непростой способ увеличения мощности, имеющий к тому же массу
недостатков. Давайте разберемся, каким образом «надувают» моторы.

Как «надуть» мотор?
При механическом наддуве воздух сжимается при помощи компрессора. Мощность, необходимая для привода компрессора, составляет 10 -15% от общей выработки двигателя. Таким образом, при сравнении с обычным двигателем такой же мощности, двигатель с механической турбокомпрессией имеет только один серьезный недостаток — повышенный расход топлива.
Благодаря своей простоте и дешевизне механические турбоком-прессоры получили широкое распространение еще в двадцатых годах прошлого столетия. Потом о них надолго и незаслуженно забыли — вплоть до недавних времен, когда инженеры сразу нескольких автомобильных фирм вдохнули вторую жизнь в старое изобретение. И не зря. Если учесть, что повышенный расход топлива проявляется лишь при высоких давлениях наддува, то в ближайшей перспективе можно предвидеть их широкое распространение на серийных и тюнингованных
моторах.
Еще один вариант — турбокомпрессия выхлопных газов. При этом энергия газа,
которая не используется в обычных условиях, направлена на привод турбины.
Компрессор находится на одном валу с турбиной и обеспечивает забор, сжатие
и подачу воздуха в камеру сгорания. В этом случае механические соединения с
двигателем отсутствуют.
Преимущества такого вида турбокомпрессии в том, что:
по сравнению с обычным двигателем такой же мощности, турбодвигатель имеет
меньший расход топлива, так как часть энергии выхлопных газов способствует
увеличению мощности двигателя. Меньший объем двигателя сокращает механические и др. потери;
турбодвигатель имеет значительно лучшее соотношение веса и мощности;
необходимая площадь двигательного отсека меньше, чем у
обычного двигателя.
Использование турбодвигателя дает возможность при низкой скорости вращения двигателя поддерживать максимальную мощность. А это в свою очередь позволяет избежать частого переключения скоростей, например,
при езде по плохим и неровным дорогам. его шумовые характеристики лучше, чем у обычных двигателей.
Есть и еще одна особенность, характерная для всех «надутых» бензиновых моторов –повышение давления на впуске увеличивает температуру
в цилиндре в конце такта сжатия и в начале рабочего хода. Чтобы избежать
значительного ухудшения характеристик, воздух после нагнетателя приходится
охлаждать. Меньшая температура на впуске облегчает тепловой режим двигателя.
Впрочем, прогресс не стоит на месте: турбомоторы постепенно избавляются от детских болезней и становятся все более доступными в цене, значит, и более массовыми.

В тему!

Самые  распространенные  ошибки

Рекомендации по эксплуатации турбин

Каким бы надежным не был механизм, его легко загубить неправильной эксплуатацией.
Особое внимание следует уделить системам смазки и впуска, как правило, именно в них выявляют главные причины поломки турбокомпрессора. Чтобы их избежать, нужно регулярно, в соответствии с рекомендациями производителя, проверять и менять фильтры и масло.
Вы можете добиться максимального срока службы турбины, если будете следовать нескольким правилам.
1. При запуске двигателя используйте минимальный газ и не меньше минуты держите двигатель на холостых оборотах.
Полное рабочее давление создается за секунды, но оно только позволяет разогнать движущиеся части турбины в условиях хорошей смазки. Газовать на двигателе, который лишь несколько секунд назад завелся, значит, заставлять турбину вращаться на высоких скоростях в условиях ограниченной смазки. Это может привести к преждевременной поломке турбокомпрессора.
2. После ремонта турбины убедитесь, что она смазана чистым моторным маслом. После этого проверните коленвал, не заводя двигатель, чтобы масло под давлением начало циркулировать в системе. Заводя двигатель, дайте ему поработать на холостом ходу несколько минут, чтобы убедиться, что система смазки и подшипники турбины работают удовлетворительно.
3. Если двигатель не эксплуатировался некоторое время или температура воздуха очень низка, проверните двигатель перед запуском, а затем запустите на холостых оборотах. Это позволит маслу циркулировать и заполнить систему прежде, чем двигатель получит большие нагрузки.
4. Перед выключением зажигания дайте турбокомпрессору остыть. При нагруженном двигателе он работает при высокой температуре на очень высоких оборотах. Быстрое выключение зажигания (горячее выключение) создает резкие перепады температур и слишком «торопит» переходные процессы. А это уменьшает жизнь турбокомпрессора.

Загадка: что общего между турбированным мотором и футбольной командой? Ответ прост: если результаты ниже нормы, следует менять наиболее важный элемент, турбину в моторе или нападающего в команде. Автовладельцы, пользующиеся этим уже давно ставшим привычным изобретением, наверное и не подозревают, что турбине скоро «стукнет» сто лет. Патент на ее изобретение был выдан швейцарскому инженеру Альфреду Бюхи в 1905 году. Вскоре после этого он был обвинен военными в производстве оружия(!). Нечто подобное прозвучало в 1973 году от лица немецкого Бундестага. Камнем преткновения тогда стала модель BMW 2002 turbo, не вписавшаяся в контекст нефтяного кризиса. А первыми серийными автомобилями, оснащенными турбинами были Oldsmobile F-85 Jetfire и Chevrolet Corvair Monza, увидевшие свет в апреле 1962.

Принцип работы турбины: поток отработанных газов проходит сквозь ее корпус и приводит в движение крыльчатку. Эта крыльчатка соединена валом с другой подобной крыльчаткой, относящейся уже к впускной системе двигателя. Задача второй крыльчатки – нагнетать воздух в камеру сгорания. Благодаря большему количеству воздуха в цилиндр может подаваться большее количество топлива. А это в состоянии повысить мощность двигателя до 30%.

Все, кто хоть раз сталкивался с проблемными турбинами, наверняка были неприятно удивлены высокой стоимостью этого элемента двигателя и ремонта его. Однако это оказывается правдой не всегда. Обмен старой турбины на новую часто обходится в половину стоимости новой турбины, а восстановление – около четверти. Причем под восстановлением подразумевается придание турбине ее прежнего показателя мощности.

Безусловно, такая операция доступна не каждой мастерской, хотя принцип восстановления турбины принципиально и не отличается от других восстановительных операций. Вал турбины оценивается на пригодность к дальнейшему использованию и заменяется, если износ слишком сильный. В обязательном порядке происходит замена всех подшипников, а затем происходит наиболее ответственная и трудоемкая операции по сборке и юстировке

Устройство турбины: 1. Корпус турбины 2.Термощиток 3.Корпус нагнетателя 4.Ложе вала 5.Приводная крыльчатка 6.Крыльчатка турбины с валом 7.Коаксиальный подшипник 8.Радиальный подшипник.

Наиболее частая причина постепенного падения мощности и в результате выхода из строя этого агрегата – износ подшипника. Заметить это можно, демонтировав турбину. Легкие следы износа и царапины будут наблюдаться около крыльчатки. Наиболее подверженными данной поломке автомобилями являются Nissan 200 SX и 1,8-л модели концерна Volkswagen (150 сильные бензиновые двигатели VW, Audi, Seat и Skoda). Причина – зашламомывание маслопроводящих каналов. Следующий по частоте отказа турбины – дизельный микроавтобус VW T3. Перегрев.

 

Чем более турбина насыщена какими-либо конструкционными особенностями, тем дороже обходится ее ремонт. Наиболее дорогой ремонт турбин с деталями из композитных материалов, например Nissan Skyline с металлокерамической турбиной. Также дорог ремонт модели Opel Calibra Turbo, с объединенным в одно целое корпусов выпускного коллектора и турбины.

 

Турбина – очень чувствительный элемент двигателя, иногда для выхода ее из строя достаточно самых банальных причин. Например, забитой землей при маневрировании выхлопной трубы. Это однако не значит, что турбина делает двигатель гораздо более чувствительным и подверженным поломкам. Минимальный уход за двигателем, то есть регулярная замена масла соответствующего качества может обеспечить ресурс турбины 300 000 км и больше. Самое интересное, что мастерские, специализирующиеся по ремонту турбин, сообщают, что им гораздо чаще приходится сталкиваться с поломками относительно новых агрегатов.

Турбокомпрессор в разрезе

 

Улитка компрессора Колесо компрессора Система подшипников скольжения Улитка турбины Колесо турбины

 

136 комментариев к записи “Принцип работы турбины”