Схема работы турбонаддува дизельного двигателя

Эксплуатация турбодизеля

Поскольку именно дизельные агрегаты являются основными «потребителями» по отношению к оснащению турбонаддувом, соответственно разберем ряд правил, которые нужно соблюдать во избежание неприятностей. Сегодня у многих автолюбителей в распоряжении личные транспортные средства с турбиной.

Правда далеко не каждый владелец знает, как правильно следует эксплуатировать подобный агрегат. Какой бы лучшим агрегат ни был бы, неправильная его эксплуатация сведет на нет все старания разработчиков.

Масло

В отношении любого силового агрегата масляное голодание противопоказано и особенно это относится к системе турбонаддува. У жидкого расходника здесь особенная роль — смазать подшипники (скольжения и качения), которые входят в состав турбокомпрессора. При снижении уровня масла эти элементы не получают необходимое количество смазки, что в результате заканчивается быстрым их износом.

По этой причине следует регулярно проверять, сколько масла для дизельных двигателей с турбонаддувом находится в картере. При необходимости восполнять потери. Помимо этого, нужно выяснить причину падения уровня расходника. И если этому имеет место нужно как можно скорее устранить причину.

Кроме того, раз уж нашлись средства на покупку автомобиля, оснащенного турбодизельной установкой, не следует скупиться на приобретении надежного масла. Любителям экономить на всем стоит вспомнить народную мудрость — скупой платит дважды!

Роль моторного масла для дизелей с турбиной нам уже известна. Соответственно приобретать дешевое масло, которое уже заведомо низкого качества, не стоит. В этом случае турбокомпрессор заранее обрекается на медленные мучения.

Следует учитывать один важный момент — те масла, которые рассчитаны на турбированные агрегаты немного отличаются по составу от обычных аналогов. Это обусловлено тем, что они подвергаются куда большим нагрузкам и температурным воздействиям. Также не рекомендовано смешивать масла с разной вязкостью. К примеру, нельзя лить 5w-30, когда ранее была залита смазка 10w-40.

Качество топлива

Турбина дизельного мотора отличается чувствительностью не только к качеству маслу, но и самого топлива. Если оно заведомо низкое, это грозит засорением топливной системы, что может закончиться чрезмерно низким давлением турбонаддува. В результате падает мощность силовой установки.

Чтобы восполнить потери турбина вынуждена работать в предельном режиме. А это сокращает ресурс агрегата. В соответствии с этим, рекомендуется заправлять свои турбированные автомобили только на тех, заправочных станциях, к которым есть доверие.

Холостые обороты

Неписаное правило для турбированного двигателя — избегать работы в режиме холостого хода больше чем на полчаса. Этого времени хватает, чтобы произошло засорение турбины. Также нельзя исключать вероятность подсоса масла непосредственно в цилиндры. А это отрицательно образом сказывается на всей цилиндропоршневой группе (ЦПГ).

Однако в том случае, когда приходится держать мотор на холостых оборотах большую часть времени, нужно держать их в пределе от 1200 до 1600 об./мин.

Своевременное ТО

Особенности эксплуатации дизельных двигателей с турбонаддувом подразумевают и это правило. А его следует придерживаться не только владельцам машин с турбиной, всех остальных это тоже касается. В частности необходимо регулярно менять моторное масло и фильтры в соответствии с регламентом производителей.

А поскольку турбированный агрегат работает в более тяжелых условиях, нежели обычные атмосферные аналоги, то сроки прохождения ТО будут короче. Иными словами «сильный» дизельный мотор чаще нуждается в замене масла и прочих расходниках.

Устройство и принцип работы турбокомпрессора

Турбокомпрессор (турбина) — механизм, применяемый в автомобилях для принудительного нагнетания воздуха в цилиндры двигателя внутреннего сгорания. При этом привод турбины осуществляется исключительно за счет действия отработавших газов (выхлопа). Применение турбокомпрессора позволяет существенно увеличить мощность двигателя (примерно на 40%), сохраняя компактными его габаритные размеры и низкий уровень расхода топлива.

Конструкция и принцип работы турбины

Устройство турбокомпрессора

Классический турбокомпрессор состоит из следующих элементов:

1. Корпус. Выполняется из жаропрочных материалов (стали). Он имеет форму улитки с двумя разнонаправленными патрубками, оснащенными фланцами для крепления в системе турбонаддува.
2. Турбинное колесо. Преобразует энергию отработавших газов во вращение вала, на котором оно жестко зафиксировано. Изготавливается из жаропрочных материалов (железо-никелевый сплав).
3. Компрессорное колесо. Воспринимает вращение от турбинного колеса и нагнетает воздух в цилиндры двигателя. Колесо компрессора зачастую изготавливают из алюминия, что снижает потери энергии. Температурный режим на этом участке близок к нормальным условиям, и применение жаропрочных материалов не требуется.
4. Вал турбины (ось) — соединяет турбинное и компрессорное колеса.
5. Подшипники скольжения, или шарикоподшипники. Необходимы для крепления вала в корпусе. В конструкции может быть предусмотрен один или два подшипника. Смазка последних осуществляется общей системой смазки двигателя.
6. Перепускной клапан — предназначен для управления потоком отработавших газов, воздействующим на колесо турбины. Это позволяет управлять мощностью наддува. Клапан оснащен пневматическим приводом. Его положение регулируется ЭБУ двигателя, получающим соответствующий сигнал от датчика скорости.

Принцип работы турбокомпрессора

Основной принцип работы турбины на бензиновом и дизельном двигателях заключается в следующем:

• Отработавшие газы направляются в корпус турбокомпрессора, где воздействуют на лопатки турбинного колеса.
• Колесо турбины начинает вращаться и разгоняться. Скорость вращения турбины при высоких оборотах может достигать до 250 000 оборотов в минуту.
• Пройдя через колесо турбины, отработавшие газы отводятся в систему выпуска.
• Компрессорное колесо синхронно вращается (поскольку находится на одном валу с турбинным) и направляет поток сжатого воздуха в интеркулер и далее во впускной коллектор двигателя.

Особенности эксплуатации турбин

В сравнении с механическим нагнетателем, работающим от привода коленчатого вала, достоинствами турбины является то, что она не отнимает мощность у двигателя, а использует энергию побочных продуктов его работы. Она дешевле в изготовлении и экономичнее в эксплуатации.

Хотя технически устройство турбины дизельного двигателя практически не отличается от систем для бензиновых моторов, на дизеле она встречается чаще. Основная особенность заключается в режимах работы. Так для дизеля могут применяться менее жаропрочные материалы, поскольку температура отработавших газов в среднем составляет от 700 °С в дизельных двигателях и от 1000°С в бензиновых моторах. Это значит, что устанавливать дизельную турбину на бензиновый двигатель нельзя.

С другой стороны, для этих систем характерны и разные уровни давления наддува. При этом стоит учитывать, что производительность турбины зависит от ее геометрических размеров. Давление нагнетаемого в цилиндры воздуха складывается из двух частей: 1 атмосфера давления окружающей среды плюс избыточное, создаваемое турбокомпрессором. Оно может варьироваться от 0,4 до 2,2 и более атмосфер. Если учесть, что принцип работы турбины на дизельном двигателе предусматривает поступление большего объема выхлопных газов, конструкция для бензинового мотора также не может устанавливаться на дизелях.

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 . 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 (). 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

Турботаймер

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.

Турбореактивные двигатели

Такой тип двигателей был создан в первой половине 20-го века и начал находить себе массовое применение к концу Второй мировой войны. Первым в мире серийным турбореактивным самолетом был немецкий Me.262. ТРД были популярны вплоть до 60-ых годов, после чего их стали вытеснять ТРДД.

Современная фотография Me-262, сделанная в 2021 году Самый простой турбореактивный двигатель включает в себя следующие элементы:

• Входное устройство
• Компрессор
• Камеру сгорания
• Турбину
• Реактивное сопло (далее просто сопло)

Можно сказать, что это минимальный набор для нормальной работы двигателя. А теперь рассмотрим что для чего нужно и зачем. Входное устройство — это расширяющийся* канал, в котором происходит подвод воздуха к компрессору и его предварительное сжатие. В нём кинетическая энергия входящего воздуха частично преобразуется в давление.

*здесь и дальше мы будем говорить про дозвуковые скорости. На сверхзвуковой скорости физика меняется, и там все совсем не так.

Компрессор — это устройство, в котором происходит повышение давление воздуха. Компрессор можно характеризовать такой величиной, как степень повышения давления. В современных двигателях оно уже начинает переступать за 40 единиц. Кроме того, в нем увеличивается температура (может быть, где-то до 400 градусов Цельсия).

Камера сгорания — устройство, в котором к сжатому воздуху (после компрессора) подводится тепло из-за горения топлива. Температура в камере сгорания очень высокая, может достигать 2000 градусов Цельсия. Вам может показаться, что давление газа в камере тоже сильно увеличивается, но это не так. Теоретически принято считать, что подвод тепла осуществляется при постоянном давлении. В реальности оно немного падает из-за потерь (проблема несовершенства конструкции).

Турбина — устройство, превращающее часть энергии газа после камеры сгорания в энергию привода компрессора. Так как турбины используются не только в авиации, можно дать более общее определение: это устройство, преобразующее внутреннюю энергию рабочего тела (в нашем случае рабочее тело — это газ) в механическую работу на валу. Как вы могли понять, турбина и компрессор находятся на одном валу и жестко связаны между собой. Если в компрессоре происходит повышение давления газа, то в турбине, наоборот, понижение, то есть газ расширяется.

Сопло — суживающийся канал, в котором происходит преобразование потенциальной энергии газа в кинетическую (оставшийся запас энергии газа после турбины). Как и в турбине, в сопле происходит расширение газа. Образуется струя, которая, вытекая из сопла, движет самолёт.

С основными элементами разобрались. Но все равно не очень понятно как оно работает? Тогда давайте ещё раз и коротко.

Воздух из атмосферы попадает во входное устройство, где немного сжимается и поступает в компрессор. В компрессоре давление воздуха растёт ещё сильнее, растёт и температура. После компрессора воздух поступает в камеру сгорания и, смешиваясь там с топливом, воспламеняется, что приводит к сильному возрастанию температуры, при, можно сказать, постоянном давлении. После камеры сгорания горячий сжатый газ попадает в турбину. Часть энергии газа расходуется на вращение компрессора турбиной (чтобы он мог выполнять свою функцию, описанную выше), другая часть энергии расходуется на, нужное нам, движение самолёта, из-за того, что газ, пройдя турбину, превращается в реактивную струю в сопле и вырывается из него (сопла) в атмосферу. На этом цикл завершается. Конечно, в реальности все процессы цикла проходят непрерывно.

Такой цикл называется циклом Брайтона, или термодинамическим циклом с непрерывным характером рабочего процесса и подводом тепла при постоянном давлении. По такому циклу работают все ГТД.

Цикл Брайтона в P-V координатах

Н-В — процесс сжатия во входном устройстве В-К — процесс сжатия в компрессоре К-Г — изобарический подвод тепла Г-Т — процесс расширения газа в турбине Г-С — процесс расширения газа в сопле С-Н — изобарический отвод тепла в атмосферу

Схематичная конструкция турбореактивного двигателя, где 0-0 — ось двигателя

ТРД может иметь и два вала. В таком случае компрессор состоит из компрессора низкого давления (КНД) и компрессора высокого давления (КВД), а подвод работы будут осуществлять турбина низкого давления (ТНД) и турбина высокого давления (ТВД) соответственно. Такая схема более выгодная газодинамически.

Реальный двигатель такого вида в разрезе

Мы рассмотрели принцип работы самой простой схемы авиационного газотурбинного двигателя. Естественно, на современных «Эйрбасах и Боингах» устанавливаются ТРДД, конструкция которых заметно сложнее, но работает все по таким же законам. Давайте рассмотрим их.

Описание турбины

Устройство турбокомпрессора и его появление — это результат постоянной гонки людей за увеличением мощности двигателя

Здесь важно добавить, что такая турбина стала эффективным решением не только для бензиновых двигателей, но и для дизельных моделей. Чаще всего такие приспособления устанавливаются на те двигатели, у которых малый объем поступаемого воздуха

Здесь важно понимать следующее: чем больше сам двигатель, тем больше воздуха и топлива он потребляет и тем больше у него мощность. Для того чтобы добиться такой же мощности от двигателя меньшего объема, необходимо увеличить количество воздуха, которое умещается в цилиндрах.

Турбокомпрессор — устройство, которое предназначается для того, чтобы нагнетать большое количество воздуха в двигатель, используя выхлопные газы. У турбокомпрессора имеется два основных элемента — это турбина и центробежный насос. Между собой эти две детали связаны жесткой осью. Элементы вращаются со скоростью до 100 000 оборотов в минуту, они же и приводят в действие компрессор.

Использование двух турбокомпрессоров и других турбо деталей

На некоторые двигатели устанавливается два турбокомпрессора разного размера. Малый турбокомпрессор быстрее набирает обороты, снижая тем самым задержку ускорения, а большой обеспечивает больший наддув при высокой скорости вращения двигателя.

Когда воздух сжимается, он нагревается, а при нагревании воздух расширяется. Поэтому повышение давления от турбокомпрессора происходит в результате нагревания воздуха до его впуска в двигатель. Для того, чтобы увеличить мощность двигателя, необходимо впустить в цилиндр как можно больше молекул воздуха, при этом не обязательно сжимать воздух сильнее.

Охладитель воздуха или охладитель наддувочного воздуха является дополнительным устройством, которое выглядит как радиатор, только воздух проходит как внутри, так и снаружи охладителя. При впуске воздух проходит через герметичный канал в охладитель, при этом более холодный воздух подается снаружи по ребрам при помощи вентиляторов охлаждения двигателя.

Охладитель увеличивает мощность двигателя, охлаждая сжатый воздух от компрессора перед его подачей в двигатель. Это значит, что если турбокомпрессор сжимает воздух под давлением 7 фунт/дюйм2 (0,5 бар), охладитель осуществит подачу охлажденного воздуха под давлением 7 фунт/дюйм2 (0,5 бар), который является более плотним и содержит больше молекул, чет теплый воздух. Турбокомпрессоры также обладают преимуществом на большой высоте, где плотность воздуха ниже. Обычные двигатели будут работать слабее на большой высоте над уровнем моря, т.к. на каждый ход поршня подаваемая масса воздуха будет меньше. Мощность двигателя с турбокомпрессором также снизится, но менее заметно, т.к. разреженный воздух легче сжимать.

В старых автомобилях с карбюраторами автоматически увеличивается подачу топлива в соответствии с увеличением подачи воздуха. В современных автомобилях происходит то же самое. Система впрыска топлива ориентируется на данные датчика кислорода в выхлопе для определения необходимого соотношения топлива и воздуха, так что система автоматически увеличивает подачу топлива при установленном турбокомпрессоре.

При установке мощного турбокомпрессора на двигатель с впрыском топлива, система может не обеспечить необходимое количество топлива — либо программное обеспечение контроллера не допустит, либо инжекторы и насос не смогут осуществить необходимую подачу. В этом случае необходимо осуществлять уже другие модификации для максимального использования преимуществ турбокомпрессора.

Паровая турбина

Принцип работы ее немного иной. Пар, который образуется в котле, под давлением попадает на крыльчатку турбины. Последняя совершает обороты, тем самым, вырабатывая механическую энергию. Обычно такая турбина соединена с генератором и применяется на электростанциях. Благодаря механической энергии, генератор производит электричество. Мощность таких агрегатов может достигать 1000 МВт.

Однако данный показатель существенно зависит от перепада давления пара на входе и выходе. Также подобные турбины применяются для привода питательного насоса, на кораблях и судах с ядерной установкой. Что касается военных кораблей, здесь применяется газовая турбина. Принцип работы ее заключается в следующем. Газ поступает через сопловой аппарат компрессора в область низкого давления. При этом он расширяется и ускоряется. Затем поток газа двигает лопатки турбины. Последние передают усилия на вал через диски. Таким образом создается полезный крутящий момент.

Устройство турбокомпрессора.

• Турбина с крыльчаткой.
• Воздушный центробежный насос.
• Компрессор.
• Жесткая ось, которая их связывает.
• Подшипники, кольца, клапаны, уплотнения и другие мелкие детали.

Не всегда эти неисправности относятся к проблемам турбокомпрессора, иногда это может быть что то другое, например нужно произвести ремонт глушителя своими руками.

Отработанные газы вырываются из двигателя и попадают на крыльчатку турбины. Она превращает их энергию из кинетической в механическую, а насос через воздушный фильтр подает свежий воздух в компрессор, который сжимает его и отправляет в двигатель. Весь этот процесс помогает увеличить мощность двигателя на 20-50%, повышая эффективность и скорость сжигания топлива.

Какие бывают неисправности турбокомпрессора и как их распознать?

1. Ваш двигатель внезапно как-будто утратил мощность.
2. Из выхлопной трубы вырывается дым черного или темно-синего цвета.
3. Увеличился расход масла.
4. Изменился звук работы мотора и турбокомпрессора.

Все это свидетельствует о том, что пора убедиться имеется ли у вас в наличии ремкомплект турбокомпрессора и проверить исправность не только турбокомпрессора, но и, в первую очередь, мотора автомобиля и всех его навесных агрегатов. Не пренебрегайте этим советом, потому что качественно обслуживаемый и нормально работающий двигатель обеспечивает безотказную работу турбокомпрессора на протяжении долгих лет.

Сразу скажем, что ни один специалист не посоветует разбирать и ремонтировать турбокомпрессор самому. Причины этого приводятся веские и достаточно будет назвать хоть одну из них. Например, малейшая песчинка при попадании в агрегат способна вывести его из строя. Но есть и другое мнение — если кто-то это делает, то смогу и я! Если вы решили разобрать и отремонтировать турбокомпрессор своими силами, приготовьте минимальный ремкомплект турбокомпрессора: вкладыши нескольких размеров, полный набор всевозможных сальников, кольца, шайбы, винты, шурупы и запасные вкладыши. Будьте предельно аккуратны и помните, что разобрать что-либо легче, чем собрать. Отмечайте по возможности все места креплений деталей и их положение относительно друг друга.

Итак, начинаем ремонт турбокомпрессоров в условиях собственной мастерской.

1. Снимаем турбину и освобождаем ее от всех винтов. Болты крепления улиток также открутим.
2. Проверяем обе крыльчатки: турбину и компрессор. Их отремонтировать невозможно, а придется заменить в случае неисправности.
3. Вал, на котором крепятся компрессор и турбина можно пытаться отшлифовать. Потом надо будет заменить подшипники другими, которые подойдут по размеру.
4. Чтобы снять колесо компрессора, понадобятся кусачки с раздвижными губами. И надо обязательно учитывать, что на компрессорном валу левая резьба!
5. Проверить допустимый ли люфт вала в условиях обычной мастерской очень сложно. Но тут мы идем на риск, уповая на удачу и возможность позже обратиться все-таки в мастерскую.
6. Воспользовавшись универсальным съемником, пытаемся снять с вала компрессорное колесо.
7. Втулки вала очень часто бывают причиной люфта.
8. Очищаем и промываем специальными средствами все детали. При сборке некоторые узлы и детали принудительно смазываем маслом, которое используется при работе автомобиля. Перечень таких деталей различен в каждом конкретном случае.
9. Не забыть поздравить себя самого после того, как удалось собрать турбокомпрессор! А если он еще и работает, вам пора подумать о смене профессии. На станции техобслуживания хорошая зарплата…

Прежде чем решаться разобрать и собрать турбокомпрессор далеко не в идеальных условиях, не имея опыта подобной работы, взвесьте еще раз самым тщательным образом все за и против.

В профессиональной мастерской есть возможность диагностировать все узлы и детали любого турбокомпрессора на всех этапах ремонта, включая до и после разборки и сборки. И там созданы условия чистоты, которых невозможно достичь в домашней мастерской при всем желании. Ведь у вас не стоит в гараже специальный агрегат — моечная машина высокого давления, например? А балансировочный стенд? Как вы поняли, мы настойчиво не рекомендуем ремонтировать турбокомпрессор своими руками и настаиваем на этом!

Проверяем обе крыльчатки: турбину и компрессор. Их отремонтировать невозможно, а придется заменить в случае неисправности. Советуем почитать еще одну интересную статью, о том как почистить дроссельную заслонку своими руками.

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.

Характеристика

Турбина – это элемент впускной системы двигателя, который служит для увеличения давления воздуха за счет применения энергии отработавших газов. Благодаря ее работе, возрастает масса воздуха в камере сгорания.

Это позволяет ускорить такты работы двигателя и увеличить его крутящий момент. Также отметим, что первые турбины имели механический привод. Принцип работы такой турбины заключался в преобразовании энергии от коленчатого вала. С последним элемент соединялся путем ременной передачи. Но вскоре такие агрегаты перестали использоваться. Сейчас все производители применяют газовую турбину, принцип работы которой позволяет увеличить КПД двигателя на 80 процентов вместо 30.

Конструктивные особенности

При работе горячей турбины воздух, нагнетаемый компрессором в ее корпусе, сильно сжимается, отчего происходит его нагрев. Это вызывает нежелательные последствия, поскольку при высокой температуре в воздухе меньше кислорода. Значит, эффективность наддува также снижается. Для борьбы с подобным явлением начали, используя рекомендации ученых, устанавливать в турбину интеркулер — вспомогательный охладитель воздуха.

Интеркулер для турбины

Конструкторы устройства отмечают, что нагрев воздуха далеко не единственная задача, которую им приходится решать при проектировании турбины. Насущной проблемой также становится ее инерционность — задержка реакции двигателя на открытие в коллекторе дроссельной заслонки.

Турбина максимально эффективна, когда достигаются определенные обороты вращения коленчатого вала. Среди автолюбителей даже распространено мнение, что турбонаддув включается только тогда, когда скорость автомобиля достигает определенного значения. Хотя турбина работает постоянно, а значение числа оборотов, при которых ее действие наиболее эффективно, для каждого двигателя индивидуальное.

2 Устройство турбонаддува

Турбонаддув работает по одному принципу. Конструкции разных устройств отличаются друг от друга, но при этом ряд элементов любого турбонаддува авто являются общими. В автомобиле он работает за счет следующих составных частей:

• впускной коллектор;
• дроссельная заслонка;
• фильтр (воздушный), который располагается сразу за воздухозаборником;
• интеркулер;
• турбокомпрессор.

Все указанные компоненты турбонаддува в авто связывает посредством напорных шлангов и соединительных специальных патрубков одна схема. Суть работы (ее принцип) рассматриваемого устройства требует именно такой взаимосвязанности составных частей комплекса под названием турбонаддув авто.

Разновидности турбин

Что касается видов турбокомпрессора, то имеется втулочный и шарикоподшипниковый тип.

Если говорить о втулочном типе турбокомпрессора, то они использовались достаточно долгое время. Однако у них имелся ряд недостатков, который был связан с их конструктивными особенностями. Это не позволяло использовать потенциал такой системы на 100 %. Шарикоподшипниковые устройства более новые, в которых были учтены недостатки, а потому они постепенно вытесняют втулочные компрессоры.

Если сравнивать эти два вида турбин, то шарикоподшипниковая считается более экономичной, так как она расходует значительно меньше масла, чем втулочный тип. Также у компрессоров имеется показатель, который отвечает за реакцию турбины, на нажатие педали газа. У шарикоподшипниковых видов турбин данный показатель лучше, что позволяет улучшить реакцию примерно на 15 %, по сравнению с втулочными.

Конструкция сопла

Через сопло проходит пар. В первых конструкциях, когда еще не были полностью изучены свойства расширения пара, сконструировать рационально работающую конструкцию с высоким КПД было невозможно.

Основная причина — сопло, которое применялось изначально, по всей длине было одинаковое по диаметру. Это повлекло то, что носитель, переходя в парообразное состояние, проходил через трубу и попадал в пространство с низким давлением. Его не хватало для нормальной работы турбины.

При этом во время выхода из этого сопла пар клубился из-за атмосферных расширений. Эти недостатки получилось исправить, когда изменили устройство трубы. Теперь пар в начале своего прохождения попадал в зауженную часть сопла, а на окончании оно постепенно увеличивалось в диаметре. Это позволило избавиться от клубов пара, поскольку они значительно понижали скорость.

Что ещё входит в систему турбонаддува

Турбина — сложный агрегат, инженерам потребовалось несколько десятилетий, чтобы довести систему до ума. Только на первый взгляд решение компенсировать потери КПД за счёт выхлопных газов кажется простой. Даже после создания устройства у него долгое время наблюдались определённые проблемы.

Например, не удавалось решить проблему турбоямы — задержки после нажатия на педаль газа и запуском ротора. Решение нашлось в виде использования двух клапанов. Один из них использовался для вывода излишек воздуха, а второй предназначался для выхлопных газов. Кроме того, современные турбины имеют изменённую геометрию лопаток, что серьёзно их отличает от подобных устройств второй воловины XX столетия.

Можно выделить ещё одну проблему, которая заключалась в излишней детонации — с ней тоже успешно справились современные инженеры. Проблема заключалась в том, что температура в рабочих секторах цилиндров резко увеличивалась во время нагнетания воздуха, особенно в последней стадии такта. Решение нашлось в установке интеркулера (промежуточного охладителя воздуха).

Интеркулер — устройство для охлаждения наддувочного воздуха. Он выполняет сразу две функции — препятствует детонации и не даёт уменьшиться плотности воздуха. В результате удалось сохранить работоспособность всей системы.

Также стоит отметить и другие важные составляющие турбины.

Регулировочный клапан. Отвечает за поддержание заданного уровня давления, излишки давления поступают в приёмную трубу.

Перепускной клапан. Используется для вывода излишних воздушных масс обратно во впускные патрубки — это нужно для снижения мощности при её избытке.

Стравливающий клапан. Если дроссель закрывается и нет датчика массового расхода воздуха, клапан будет возвращать излишки воздуха обратно в атмосферу.

Патрубки. Герметичные отрезки трубы. Одни используются для подачи воздуха, вторые для подачи смазочного масла.

Выпускные коллекторы. Должны быть совместимы с турбокомпрессором.

Немного о турбокомпрессоре

Турбокомпрессор или его ещё называют «газотурбинный нагнетатель» (Centrifugal compressors или очень популярно называть «Turbocharger») — это осевой или центробежный компрессор, что функционирует вместе с турбиной. Это конструктивный основной элемент в автомобилях с газотурбированными двигателями.

Давление во впускной системе можно повысить при помощи установки турбокомпрессора, использующего энергию отработавших газов. При его использовании масса воздуха, имеющегося в камерах сгорания, увеличивается. Механический нагнетатель не так эффективен, как турбированный компрессор газов, потому что мощность двигателя не используется для привода.

Тем не менее, после установки центробежной турбины некоторые потери мощности неизбежны. Отработавшие газы из цилиндров не находят выхода, так как турбина преграждает их путь наружу. На двигатель приходится большая нагрузка по очистке цилиндров, вследствие того, что в выпускном тракте создаётся огромное давление. На эту задачу тратится некоторая часть мощности двигателя авто. Конечно, эта потеря ничтожна в сравнении с приростом мощности двигателя объёмом в 30–40%.

После установки центробежной турбины, можно столкнуться с ещё одной проблемой, которая в обиходе называется турбояма. Выходная мощность двигателя изменяется с отставанием от смены давления отработавших газов. Главными факторами, из-за которых образуется турбояма, являются силы трения, инерционность и нагрузка турбины.

Похожие записи:

Трансформатор Расчет сборка и изучение схемы делителя напряжения. делитель напряжения на конденсаторах Провод шввп Выбираем лампу для дома? светодиодная, соляная, кварцевая- какое освещение лучше подойдет по: яркости, мощности, освещению- обзор +видео Устройство защиты узм-3-63к ac230в/ac400в ухл2 Топ-20 паяльных станций с алиэкспресс: рейтинг лучших и какую лучше выбрать