Как работает турбина на дизельном двигателе

8

Обслуживание и ремонт турбины дизельного двигателя

В последнее время выросла популярность дизельных моторов для легковых автомобилей. Соответственно вырос и спрос на специалистов по ремонту дизельных двигателей и их атрибутов — насосов, форсунок, турбин и прочих устройств. Эта статья расскажет именно о турбине. Для чего она служит, как диагностируется её неисправности. И кто может провести обслуживание и ремонт турбины дизельного двигателя.

Турбина дизельного двигателя, что это за аппарат?

Это технологическое устройство для нагнетания большего количества воздуха в камеру сгорания. Можно сказать интенсивный наддув кислорода. Соответственно улучшается качество топливной смеси, выше процент сгорания топлива и всё это даёт значительный прирост мощности дизельного мотора.

Устройство турбины

Состоит этот агрегат условно из трёх частей:

1) Компрессор воздушный.
2) Турбина.
3) Корпус вала.

Крыльчатка турбины расположена в зоне действия выхлопных газов. Лопасти турбокомпрессора находятся перед всасывающим воздушным патрубком и соединяются они одним валом. В его корпусе расположены протоки для масла. Подающееся туда масло из двигателя, служит как смазке, так и охлаждению турбины.

Принцип действия

Выхлопные газы вращают лопасти турбины. Скорость вращения достигает при этом 140 000 оборотов в минуту! Это требует высокого качества материалов для корректной работы устройства. Через вал усилие передаётся на крыльчатку воздушного компрессора, и тот подаёт воздух в цилиндры под увеличенным давлением. Улучшается топливно-воздушная смесь для горения. Мощность дизельного двигателя возрастает. Цель работы турбины достигнута.

Диагностика неисправностей турбины для дизеля

Хоть это и дорогостоящий и сложный в производстве узел, количество неисправностей не велико:

• Повреждение корпуса турбины;
• Повреждение лопастей;
• Износ вала и втулок;
• Износ масленых уплотнителей.

При любом из данных повреждений снижается концентрация, давление, подаваемого в рабочие камеры воздуха. Следовательно, снижается качество сгорания дизельного топлива и падение мощности двигателя.

Здесь не рассматривается возможность загрязнения воздушного фильтра на входе. Это относится к периодическому обслуживанию двигателя и находится в компетенции владельца машины.

Обслуживание и ремонт турбины дизельного двигателя: диагностика её состояния

Несмотря на кажущуюся (обманчивую) простоту вопроса, качественно выполнить это действие может только опытный мастер, ведь используются два вида диагностики:

• Приборный
• Органолептический

С приборным, тоже не всё просто. Мастер подключит к специальным отверстиям манометр, и замерит разрежение на разных режимах работы. Для этого, нужно назубок знать, сколько КПа должна выдавать нормально работающая турбина, на различных оборотах. А ведь двигатели разные. И соответственно, каждый имеет свои параметры. Нужно знать в какой последовательности задавать обороты мотору, В общем, работа не для дилетанта. Поэтому диагностика турбины дизельного двигателя должна проводиться только на СТО. Этот процесс позволит узнать мастеру состояние целостности корпуса и лопастей турбины и компрессора.

Органолептика
Если кто не знает, то органолептика, это определение чего-либо с помощью человеческих чувств. То есть взглядом, осязанием, обонянием и слухом. Ну, этот набор однозначно доказывает, пользоваться этим видом диагностики может только настоящий профессионал.
Итак. Мастер должен на взгляд и на ощупь определить подтекание масла. По его концентрации на отдельных частях турбины, он сможет очно определить, износился ли вал, или вышли из строя масленые уплотнители. И то и другое негативно влияет на качество работы турбины.

Таким же образом делается диагностика — на люфт вала. Это очень серьёзный вопрос. Столь тонкий агрегат не должен иметь никаких смещений. Ни продольных, ни осевых. В общем, мастер будет чуткими пальцами прощупывать стоящий вал турбины с неослабным вниманием. Малейшее отклонение означает немедленный ремонт агрегата.

Несмотря на кажущуюся простоту описываемого устройства, вывод только один, провести качественную и точную работу такую как диагностика турбины дизеля может только очень опытный специалист. Или проще сразу поставить новый агрегат. Но тут надо учитывать высокую стоимость качественного устройства. Заплатить хорошему специалисту в любом случае проще, чем тратить деньги и время пытаясь провести эту операцию дилетантски.

Разрушители легенд. Турбонаддув дизеля. Часть №1. Обзорно-болталогическая.

Для того чтобы ПОЛНОСТЬЮ сжечь 1кг горючего(любого углеводородного) нужно около 3,5 кг кислорода. Такое количество кислорода содержится в 15кг воздуха.

Соответственно мощность двигателя напрямую зависит от его "литража". Чем больше воздуха мы сможем загнать в камеру сгорания — тем больше топлива мы сможем спалить — тем больше энергии сможем получить на коленвалу.

Турбокомпрессор выполняет две функции. С одной стороны он позволяет напихать в камеру сгорания гораздо больше воздуха и получить с того же объёма двигателя гораздо больше мощности. С другой стороны — он утилизирует энергию выхлопных газов и реализует цикл с продолженным расширением, который увеличивает общий КПД двигателя.
Если сказать человеческим языком — то ЧАСТЬ работы по сжатию воздуха в турбодизеле перекладывается с поршневой на турбокомпрессор. Турбокомпрессор работает на энергии выхлопных газов(которые обычно просто выбрасываются в атмосферу) — соответственно непосредственно сам двигатель получает возможность больше мощности передавать на колёса.

МЕХАНИЧЕСКИЕ нагрузки на кривошипно-шатунный механизм при турбировании ДИЗЕЛЯ возрастают незначительно — это позволяет не сильно морочаться вопросами прочности и ресурса турбируемого атмосферника.

Казалось бы всё замечательно. НО!

Разработка современных двигателей уже давно пляшет от экологического законодательства, которое напрямую определяет режимы сгорания топлива в камере сгорания. На НОМИНАЛЬНОМ(не максимальном! это важно!) режиме работы двигателя в связке с турбиной процессы сгорания доводятся до некоего оптимума. При этом некоторые характеристики конструкции непосредственно самого турбодвигателя получаются заметно отличающимися от его атмосферного аналога. В первую очередь отличается степень сжатия — в цилиндры воздуха поступает больше за счёт турбокомпрессора, но поршнями этот воздух сжимается слабее — фактическое давление в конце такта сжатия практически одинаковое получается и у атмосферника и у турбодвигателя.
На НОМИНАЛЬНОМ РЕЖИМЕ турбокомпрессора.
Потому ничего там в турбодизеле лучше не сгорает. Сказки дедушки Ергена. Лучшее сгорание — больше окислов азота, а это недопустимо. Потому процессы сгорания одинаковы на НОМИНАЛЬНОМ РЕЖИМЕ и однозначно хуже у турбодизеля на всех остальных режимах. Почему?

Давайте посмотрим подробнее, что происходит с турбодизелем на ВСЕХ режимах его работы и насколько отличаются его характеристики от атмосферного дизеля.

В интернет-обзорах обычно втюхивают для сравнения два типа дизелей одинакового ОБЪЁМА. Мне не кажется такое сравнение корректным — это как сравнивать… трёхлитровый двигатель и… пятилитровый…
Я ни разу не встречал сравнения турбодизеля и атмодизеля с разницей в объёме ОБРАТНО-пропорциональной заявляемому с трепетом превосходству турбодизеля. И это неспроста.
Я потому и предлагаю сравнить три дизеля.
Они стары как говно мамонта, но до сих пор бодры и распространены.

Первый(2L) — атмосферный вихрекамерный дизель-прародитель.
Два других — форсированные потомки ОДИНАКОВОЙ МАКСИМАЛЬНОЙ МОЩНОСТИ.

НО!
Один(2LTE) — форсировали турбиной, а другой(5L) — простым наращиванием объёма:
2L… … …22:1…2446куб.см… 85лс 4000RPM…165Н/м 2400RPM…Атмо
2LTE… …21:1…2446куб.см… 97лс 4000RPM…221Н/м 2400RPM…Турбо
5L… … …22:1…2986куб.см… 97лс 4000RPM…192Н/м 2400RPM…Атмо

Эта линейка удобна тем, что это практически один и тот же агрегат до последнего болтика. Потомки 2L имеют одинаковую максимальную мощность и с точки зрения обычного автопотребителя это должны быть абсолютно равнозначные двигатели. Есть куча реальных водителей, попробовавших и то и другое во всех мыслимых и немыслимых режимах — они не дадут соврать. Нихрена это не равнозначные двигатели, хоть МАКСИМАЛЬНАЯ мощность у них и одинаковая.
Вот и давайте немного "поэксплуатируем" эти ДВА дизеля-потомка в реальных условиях:

1). Запуск и холостой ход.
Турбодизель отличается от атмосферного аналога двумя вещами — пониженной степенью сжатия и пониженным литражём. И первое и второе дополняется турбиной. НО! Только на НОМИНАЛЬНОМ РЕЖИМЕ! При работе на холостом ходу и сам турбонагнетатель и интеркулер(если есть) и гораздо более протяжённый впускной коллектор оказывают только лишнее сопротивление. При запуске(особенно на морозе) пониженная степень сжатия турбодизеля способствует худшим пусковым свойствам. Меньший литраж турбодизеля подразумевает несколько меньший расход топлива на холостом ходу — но за счёт меньшей степени сжатия и высоких насосных потерь во впускной системе реальный расход топлива редко отличается заметно.
Итог сравнения — паритет.

2). Режим низких нагрузок и низких оборотов.
Этот режим также характеризуется СОПРОТИВЛЕНИЕМ всего впускного тракта и РАЗРЯЖЕНИЕМ на впуске. Поскольку турбодизель имеет меньший литраж и степень сжатия — то мы имеем на этом режиме НАМНОГО(до 30%) МЕНЬШИЙ момент турбодизеля, чем у атмосферного аналога.
Итог сравнения — явный и несомненный проигрыш турбодизеля.

3). Режим средних нагрузок и оборотов.
Этот режим характеризуется выходом турбонагнетателя на рабочий режим — создание избыточного давления во впускном тракте. Но избыточное — это ещё не НОМИНАЛЬНОЕ. До тех пор, пока давление турбонагнетателя не приблизится к НОМИНАЛЬНОМУ — характеристики турбодизеля будут отставать от характеристик атмосферного аналога.
Из приятных новостей — турбина потихоньку начинает вступать в процесс утилизации энергии выхлопных газов и по мере роста создаваемого ей давления общий КПД двигателя стремительно растёт. Соответственно падает расход топлива по сравнению с атмосферным дизелем.
Итог сравнения — по мере приближения к номинальному режиму характеристики дизелей сближаются. Турбодизель всё так же обладает меньшей мощностью, но и потребляет чуть меньше топлива.
Есть ещё один фактор, который обычно выпускают из поля зрения подобных сравнений. Это инерционность турбонагнетателя. Приотпустив даже на мгновение педаль газа — мы не получим вновь прежнюю мощность от двигателя, пока турбонагнетатель опять не выйдет на режим. Турбояма на этом режиме очень досаждает.
Особенно на высокогорье.

4). Номинальный режим.
Именно на этом режиме проявляются все плюсы турбодизеля. К сожалению на дизеле с примитивным турбонагнетателем этот участок очень узкий — не более 500-700 оборотов. Именно в точке достижения номинального давления турбонагнетатель и обладает максимальным КПД. Потому и двигатель в этой ТОЧКЕ(для 2LTE это приблизительно 2400 оборотов) обладает максимальным превосходством перед атмосферным аналогом в плане расхода топлива. Турбонагнетатель с изменяемой геометрией имеет более широкую полку максимальной эффективности, но обычно она смещена в сторону низких оборотов.
Самый большой плюс — в районе НОМИНАЛЬНОГО режима МОМЕНТ турбодизеля заметно превосходит момент атмосферного аналога. Т.е. и МОЩНОСТЬ турбодизеля на ЭТОМ режиме будет ВЫШЕ мощности атмосферника.
Правда КОЭФФИЦИЕНТ ПРИСПОСОБЛЯЕМОСТИ у турбодизеля по моменту — меньше на 4%, а по оборотам — почти на 8%, соответственно турбодизель ещё хуже, чем даже атмосферный дизель(а уж тем более бензинка) подходит для транспортных средств.
Итог сравнения — явный выигрыш турбодизеля как в плане МОМЕНТА, так и в плане расхода. Отрыв определяется характеристиками турбонагнетателя. Правда "явный" выигрыш — это не значит "большой". Конкретно 2LTE имеет МАКСИМАЛЬНЫЙ момент на 13% больше, чем у 5L и на 25% больше, чем у 2L.
Современные турбодизеля с твинтурбо и эффективным интеркулером могут иметь момент(а потому и мощность) на этом режиме в 1,5-2 РАЗА(!) выше чем у атмосферника. И CommonReal здесь совершенно ни при чём — весь прирост тяги обуславливается исключительно турбонаддувом…

За счёт высокого количества выхлопных газов турбонагнетатель на ЭТОМ режиме "скисает" не сильно даже при полностью отпущенной педали газа и турбояма потому выражена слабо.

5). Сверхноминальный режим — режим близкий к максимальной мощности и максимальным оборотам.
По мере увеличения количества выхлопных газов — часть их начинает перепускаться в обход турбонагнетателя перепускным клапаном — соответственно всё бОльшая часть энергии выхлопных газов перестаёт утилизироваться.
Да и непосредственно сам турбокомпрессор(крайне нелинейный агрегат) стремительно теряет КПД. За счёт всё бОльшего сопротивления турбокомпрессора давление перед турбинным колесом стремительно нарастает — выхлопные газы уже не самостоятельно покидают цилиндр, а их бОльшую часть приходится выдавливать поршнем:

Продувка цилиндров стремительно ухудшается — всё больше отработанных газов остаётся в камере сгорания, количество кислорода снижается, горение затягивается, температура растёт. Получается некая аналогия системы ЕГР. Хоть сама система ЕГР и отключается на этих режимах — это помогает слабо. Турбодизель настолько стремительно теряет момент с ростом нагрузки и оборотов, что на оборотах максимальной мощности сравнивается с атмосферником.
Повышенное давление во впускном коллекторе перестаёт играть положительную роль ПОЛНОСТЬЮ. И даже хуже — затраты на создание этого давления никуда не деваются — потому турбодизель потребляет намного(чуть ли не в разы) больше топлива и потому намного сильнее греется, чем его атмосферный аналог. Шутка ли — у турбодизеля на впуске под 1 атмосферу избытка, у атмосферника на впуске — разрежение на уровне 0.2-0.3атм, а мощность вырабатывается ОДИНАКОВАЯ.
Если же сравнить максимальную мощность атмосферника и турбодизеля одинакового ОБЪЁМА — то выигрыш у турбодизеля всего 12%.
Итог сравнения — очередной провал турбодизеля.

Итак. Что мы имеем в сухом остатке?

Минусы:
БОльший вес и сложность турбодизеля.
Меньший моторесурс и надёжность. Повышенная требовательность к качеству смазочных материалов.
БОльший расход и склонность к перегреву под повышенной нагрузкой.
Высокая нелинейность и латентность мощностных характеристик.
Меньший коэффициент приспособляемости к нагрузке.

Плюсы:
На номинальном режиме турбодизель кушает чуть меньше топлива, при этом обладает небольшим запасом крутящего момента. Потому при необходимости может выдать до 15-20% момента больше, чем атмосферник ОДИНАКОВОЙ МАКСИМАЛЬНОЙ МОЩНОСТИ(и до 20-35% больше чем атмосферник ОДИНАКОВОГО ОБЪЁМА), правда уже при непропорционально бОльшем расходе топлива и тепловыделении.

Эта непропорциональность вызвана не только "насыщением" турбонагнетателя, но и неким "насыщением" топливной аппаратуры. Дизельная топливная аппаратура, как и всё в современном двигателе, заточена под НОМИНАЛЬНЫЙ режим и экологию. Потому впрыск дизельного топлива осуществляется настолько медленно, насколько это возможно. И точкой оптимизации является НОМИНАЛЬНЫЙ режим. Но после превышения номинального режима длительность впрыска(а в существующих ПЛУНЖЕРНЫХ топливных системах количество впрыскиваемого топлива определяется именно ВРЕМЕНЕМ впрыска) становится настолько продолжительной, что значительная часть топлива впрыскивается в камеру сгорания турбодизеля намного позже оптимального момента и больше греет двигатель, чем влияет на его мощность. Этого ПРИНЦИПИАЛЬНОГО недостатка лишены топливные аппаратуры CommonRail, но в реальности двигателя с CommonRail должны соответствовать ещё более жёстким экологическим нормам и потому топливо впрыскивают ещё дольше для борьбы с окислами азота…
При этом выделяется херова туча сажи, которую улавливают сажевым фильтром. Выгорает эта сажа даже в присутствии катализаторов не на всех режимах, потому CommonRail осуществляет дополнительный подвпрыск топлива для поддержания высокой(до +600С) температуры выхлопа. Именно поэтому расход дизелей с CommonRail не настолько низок, как этого следовало бы ожидать…

Конечно, я мог бы сравнивать дизеля одинакового объёма. Тогда недостатки турбодизеля были бы заметно скромнее, а достоинства — выпяченнее. К сожалению жизнь показывает, что при всём прогрессе на замену 4,2 литровому 6-горшковому атмосфэрнику нам почему-то предлагают не 6,5 литрового V8 дизельного твинтурбо, а втюхивают 3-ёх литрового турбозадохлика…
У задохлика крутой нрав и высокая потенция высокий потенциал. "Но пушки есть пушки", как говаривал Рафаэль Саббатини… Объём есть объём и никакая турбина его не переплюнет. Особенно на автомобиле, предназначенном для движения в сложных дорожных условиях.
Потому следующие мои статьи будут посвящены тому — как сделать из задохлика(ZD30) человека.
Дома. На коленке.

Пока же я предлагаю в качестве домашнего задания сравнить аж целых пять реинкарнаций всеми нами любимого ZD30:

Первый(ZD30DD) — атмосферный прямовпрысковый дизель-прародитель:
ZD30DD…18,5:1…2953куб.см…105лс@3800RPM…230Nm@2000RPM

Второй(ZD30DDT) — турбо-вариант с VGT-турбиной
ZD30DDT…18:1…2953куб.см…148лс@3400RPM…314Nm@2000RPM

Третий(ZD30DDTi) — турбо-вариант с VGT-турбиной и интеркулером
ZD30DDTi…18:1…2953куб.см…170лс@3600RPM…353Nm@1800RPM

Четвёртый(ZD30 CR) — COMMON RAIL турбо-вариант с VGT-турбиной и интеркулером
ZD30 CR…18:1…2953куб.см…150лс@3400RPM…350Nm@1200-2800RPM

Пятый(ZD30 CR TTi) — COMMON RAIL TWIN-турбо-вариант c интеркулером
ZD30 CR TTi…18:1.2953куб.см…170лс@2600PRM…540Nm@1400-2200RPM

Очень наглядно прослеживается влияние турбины, интеркулера и COMMON RAIL.
Как видно по характеристикам — нулевой эффективностью обладает только COMMON RAIL.

VGT-турбина с интеркулером обеспечивают уже полуторократное(прогресс на месте не стоИт) преимущество в моменте над атмосферным прародителем.
Вероятно 4,5 литровый атмосферник ещё можно сделать сопоставимым по массе и размерам? Неважно…
Форсированный TWIN-турбо-вариант c интеркулером обладает моментом уже 540Nm(удвоенным по сравнению с атмосферником) начиная уже с 1200-1400 оборотов и таскает восьмитонник Nissan NT500:

Мне было бы очень интересно посмотреть на поршня этого TWIN-турбового ZD30 — они такие же облегчённые, как и на обычном ZD30? Если такие же — значит перегревается и разрушается обычный задохлик исключительно благодаря косякам в системе охлаждения…

Для конкуренции по максимальному моменту понадобится уже 7-ми литровый атмосферник…
Так что турбина — это бОльшая половина СОВРЕМЕННОГО дизеля и от этого факта никуда уже не деться.
Современный турбодизель с высоким наддувом(3-4 бар избытка) за счёт современных материалов и технологий выглядит намного более выигрышно, чем рассмотренные выше модели 90-ых и 2000-ых годов.
Всё чаще мне попадаются обзоры современных дизелей с объёмом уже около 2(!) литров и характеристиками 4-5-6 литровых старых дизелей. Догадайтесь с трёх раз — за счёт чего они имеют заявленный крутящий момент?

Кому интересно — почитайте и, например, вот это — www.drive2.ru/l/490025395538624709/
со ссылками. Даже гадать отказываюсь — сколько они вдули в этот дизель, что степень сжатия пришлось снижать до 14…
Подобные статьи примечательны ещё и тем, что все теоретические выкладки в них — чистейший бред и откровенные подтасовки. Судя по всему — это теперь трэнд.

Самое интересное — как шарикомалят со степенью сжатия. Но про степень сжатия вплотную поговорим в другой раз.

Принцип работы турбины на дизельном двигателе

Турбонаддув обязан свои появлением пресловутой немецкой рачительности и практичности во всём. Ещё Рудольфу Дизелю и Готлибу Даймлеру, в конце XIX века, не давал покоя такой вопрос. Как же так: выхлопные газы просто так выбрасываются в трубу, а энергия, которой они обладают, не приносит никакой пользы? Непорядок… В веке двадцать первом, двигатели, оснащённые турбиной, давно перестали быть экзотикой и используются повсеместно, на самой разной технике. Почему турбины получили распространение прежде всего на дизельных двигателях и каков принцип работы этих полезных агрегатов, разберём далее – в строго научно-популярной, но наглядной и понятной каждому форме.

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.

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.

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.

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…

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.

Необходимые дополнения в состав системы турбонаддува: клапаны, интеркулер

Не один десяток лет потребовался инженерам, чтобы создать действительно эффективно работающий турбокомпрессор. Ведь это только в теории всё выглядит гладко: от преобразования энергии отработанных газов можно «вернуть» утерянный процент КПД и значительно увеличить мощность двигателя (например, со ста до ста шестидесяти лошадиных сил). Но на практике подобного почему-то не получалось.

Кроме того, при резком нажатии на акселератор приходилось ждать увеличения оборотов мотора. Оно происходило только через некоторую паузу. Рост давления выхлопных газов, раскрутка турбины и загонку сжатого воздуха происходили не сразу, а постепенно. Данное явление, именуемое «turbolag» («турбояма») никак не удавалось укротить. А справиться с ним получилось, применив два дополнительных клапана: один – для перепускания излишнего воздуха в компрессор через трубопровод из двигательного коллектора. А другой клапан – для отработанных газов. Да и в целом, современные турбины с изменяемой геометрией лопаток даже своей формой уже значительно отличаются от классических турбин второй половины ХХ века.

Дизельный турбокомпрессор «Бош»

Другая проблема, которую пришлось решать при развитии технологий дизельных турбин, состояла в избыточной детонации. Детонация эта возникала из-за резкого увеличения температуры в рабочих полостях цилиндров при нагнетании туда дополнительных масс сжатого воздуха, особенно на завершающей стадии такта. Решать данную проблему в системе призван промежуточный охладитель наддувочного воздуха (интеркулер).

Кроме того, современная система турбонаддува двигателя не обходится без:

• регулировочного клапана (wastegate). Он служит для поддержания оптимального давления в системе, и для его сброса , при необходимости, в приёмную трубу;
• перепускного клапана (bypass-valve). Его предназначение – отвод наддувочного воздуха назад во впускные патрубки до турбины, если нужно снизить мощность и дроссельная заслонка закрывается;
• и/или «стравливающего» клапана (blow-off-valve). Который стравливает наддувочный воздух в атмосферу в том случае, если дроссель закрывается и датчик массового расхода воздуха отсутствует;
• выпускного коллектора, совместимого с турбокомпрессором;
• герметичных патрубков: воздушных для подачи воздуха во впуск, и масляных – для охлаждения и смазки турбокомпрессора.

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.

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.

Ремонт турбины на дизельном двигателе: все проще, чем кажется

Ремонт турбины на дизельном двигателе бывает необходим по нескольким причинам: длительная эксплуатация в экстремальных условиях, несвоевременное прохождение техобслуживания и т. п.

Хорошая новость в том, что поломку турбины в отличие от многих других автомобильных узлов нельзя назвать критической, машина в большинстве случаев останется не ходу. Плохая – постоянная утечка масла и топлива влетит владельцу транспортного средства в копеечку, да и сам автомобиль работать в нормальном режиме уже не сможет.

Исходя из всего этого, каждому владельцу дизеля необходимо хотя бы приблизительно знать, как устроена турбина дизельного двигателя, каковы признаки ее неисправности и каким образом ее можно отремонтировать.

Вопросы, рассмотренные в материале:

• Принцип работы турбины дизельного двигателя
• Причины поломки турбины дизельного двигателя и способы диагностики неполадок
• Как осуществить ремонт турбины дизельного двигателя своими руками
• От чего зависит цена на ремонт турбины дизельного двигателя в автосервисе
• Сроки эксплуатации турбины на дизельных двигателях: мнения автовладельцев

Принцип работы турбины дизельного двигателя

То, насколько мотор вашего авто будет мощным и производительным, определяется множеством факторов. Например, рабочим объемом цилиндров, количеством и качеством горючего, а также эффективностью его сгорания.

Чем больше топлива дизель потребляет за единицу времени, тем мощнее мотор. Как сделать так, чтобы топливно-воздушная смесь сгорала быстрее? Следует максимально увеличить запас сжатого воздуха в рабочих камерах.

Запомните главный принцип работы дизельного двигателя: если за единицу времени сгорает большой объем топлива, значит, в силовой агрегат должно поступать много воздуха. Именно с этой целью и используется турбонаддув. С его помощью можно увеличить подачу топливно-воздушной смеси в рабочие камеры.

Как работает турбина? Она под постоянным давлением нагнетает сжатый воздух в цилиндры дизельного двигателя. Это становится возможным за счет того, что энергия отработанных газов преобразуется в полезную. Для этого используются выхлопные газы: они идут напрямую в трубу, а затем наружу, откуда их поток направляется при помощи системы турбокомпрессора.

Благодаря этому колесо турбины дизельного двигателя, другое название которого крыльчатка, раскручивается. На нем есть лопасти, скорость движения которых 100 000–150 000 оборотов в минуту. На валу с колесом турбины также расположены лопасти компрессора, с их помощью происходит нагнетание сжатого воздуха в цилиндры.

После того как энергия отработанных газов будет преобразована, появившаяся сила позволит сделать давление воздуха больше. В результате можно впрыснуть в камеры сгорания больший объем горючего за единицу времени. Благодаря турбине дизельный двигатель становится мощнее, коэффициент полезного действия возрастает.

Система турбонаддува имеет 2 крыльчатки с лопастями, они расположены на одном валу, однако в разных камерах, и герметично отделены друг от друга. Первая крыльчатка приходит в движение за счет того, что на ее лопасти попадает поток отработанных газов. Так как другая крыльчатка связана с первой, она тоже движется и захватывает часть воздуха. Сжатый воздух поступает в цилиндры дизельного мотора.

Причины поломки турбины дизельного двигателя и способы диагностики неполадок

Как определить, что требуется ремонт? Ведь симптомы неисправности могут быть похожи на признаки поломки других механизмов. Специалисты рекомендуют продиагностировать автомобиль на стенде либо использовать специальные измерительные устройства. Только так результат проверки будет на 100 % точным. Своими силами провести диагностику и ремонт турбин дизельных двигателей практически невозможно. Поэтому при подозрении на поломку следует как можно быстрее обратиться в автосервис.

Ремонт турбины на дизельном двигателе может быть необходим в следующих случаях:

• засорился катализатор, в результате образуется противодавление;
• перепускная заслонка закрывается не полностью;
• на внутреннем тракте есть протечка;
• появился зазор в турбинном нагнетателе;
• крыльчатка стирается во время вращения.

Если наблюдается один из вышеперечисленных признаков, турбина не сможет набрать нужное давление, чтобы функционировать полноценно. Когда неисправность возникает из-за люфта, значит, ремонта турбины на дизельном двигателе не избежать. Причем установить новую деталь своими руками возможно только в том случае, если у вас есть опыт проведения сложных ремонтных работ, а также специальное оборудование.

Сконструирован турбонагнетатель просто, однако поломки случаются из-за его активной эксплуатации. Из-за чего может потребоваться его ремонт:

• возникла масляная течь, причем смазка проникает в воздушны поток, а затем в цилиндры;
• появилась непроходимость выводящего, а также подающего каналов;
• появились трещинки на корпусе, а также деталях;
• воздушный фильтр пришел в негодность;
• мощность дизельного двигателя падает;
• воздух выходит через уплотнители патрубков.

Как понять, что пришло время делать ремонт турбины на дизельном двигателе? Обратите внимание на отработанные газы. В зависимости от цвета дыма можно диагностировать следующие поломки:

• отработанные газы синеватого оттенка – в воздушный поток попадает смазка;
• дым белого цвета указывает на то, что засорился канал отвода;
• отработанный газ черного цвета – значит, есть масляная течь.

Какие еще симптомы указывают на то, что необходим ремонт дизельного двигателя? Прежде всего, это посторонние звуки при работе турбокомрессора.

Читайте также!

Что делать, если вы обнаружили, что турбина изношенна? Для начала проверяем уровень смазки. Масла недостаточно, когда машина потребляет более 1 литра на 1 000 километров. В этом случае следует проверить, какого цвета отработанные газы.

Заметили, что оттенок выхлопа белый либо синий, тогда приступаем к следующим действиям:

• Определяем, когда последний раз меняли воздушный фильтр. Если он засорен, то не сможет нормально пропускать воздух, в результате резких перепадов давления смазка не сумеет пройти в турбокомпрессор. Все это приведет к тому, что выхлоп будет синего цвета. Вы недавно меняли фильтрующий элемент? Тогда приступаем к следующему действию.
• Осматриваем выводящий канал. Заметили, что он растрескался либо деформировался? Тогда следует прочистить каналы. Когда система вентиляции картерных газов пришла в негодность, необходимо посетить сервисный центр.
• Затем проверяем, исправны ли детали турбины. Обратите внимание на осевой люфт, возможно, крыльчатка соприкасается со стенками турбины. Обнаружили неисправность? Придется посетить СТО. Ведь устранить люфт своими руками будет проблематично. Смещение вала должно быть не более 0,05 мм, радиальный люфт не более 1 мм.

Настроить турбонаддув получится, только если была продиагностирована работа турбины, а также установлены новые детали взамен вышедших из строя. Самое важное не пропустить момент, когда появятся первые признаки поломки. Иначе придется потратить крупную сумму на сложный ремонт дизельного двигателя.

Не забывайте, что, если на вашем дизельном двигателе установлена турбина, нужно отслеживать, не засорился ли воздушны фильтр. Ведь если это произойдет, давление на всасывании будет слишком большим. В результате производительность компрессора снизится. Дизельный двигатель с турбиной следует хорошо прогревать. Дело в том, что из-за высокой вязкости смазки во время запуска холодного мотора будет остро чувствоваться недостаток масла.

Ремонт турбины дизельного двигателя своими руками

Чтобы сделать ремонт турбины на дизельном двигателе, необходимо иметь все нужные инструменты, детали, а также большой опыт выполнения сложных ремонтных работ. В противном случае рекомендуется отправиться в автосервис.

Если же на вашем авто дизельный двигатель, и вы собираетесь провести ремонт своими руками, но у вас мало опыта, результат может быть неудовлетворительным. Например, внутрь устройства попадет песок, и в итоге турбина окончательно сломается. Поэтому выполнять ремонт самостоятельно можно, только если вы уверены, что справитесь.

Читайте также!

Прежде чем приступить к работе, необходимо обзавестись ремкомплектом. Что придется приобрести: вкладыши, сальники, винты, шурупы и шайбы. А также для ремонта потребуются такие инструменты, как торцевые и рожковые ключи, отвертки, кусачки с раздвижными губками, фигурная правка, съемник и киянка. С их помощью вы сможете сделать ремонт турбины на дизельном двигателе самостоятельно.

Если вы собрались сделать ремонт на легковом либо грузовом авто, прежде всего нужно демонтировать турбину. Как это сделать:

• откручиваем болты либо убираем стопоры, с помощью которых крепится корпус компрессора и турбины;
• в случае если турбокомрпессор прикипел, стучим по корпусу киянкой;
• затем демонтируем улитку.

Теперь приступаем к диагностике подшипников картриджа. Не должно быть продольного люфта, допускается небольшой поперечный люфт. Чтобы убрать стопорное кольцо компрессора, воспользуйтесь кусачками с раздвижными губками. В этот момент обратная сторона вала должна быть зафиксирована при помощи фигурной правки. Разбирая механизм, помните о левой резьбе на валу.

Чтобы демонтировать компрессорное колесо, потребуется съемник. Как не допустить его разбалансировку? Необходимо монтировать детали в правильное положение. Поэтому наносим метки на колесо и гайки.

Ремонт турбины на дизельном двигателе будет выполнен правильно, если вы сможете хорошо очистить все элементы и удостовериться, что они не сломаны.

Какие детали могут прийти в негодность? Прежде всего, это втулки, которые быстро изнашиваются, появляется люфт картриджа. Для ремонта втулок придется демонтировать стопорные кольца, а затем убрать болты крепления. Кроме того, заменить нужно вкладыши, которые удерживает стопор. Прежде чем снимать кольца уплотнителя, тщательно удаляем нагар с вала картриджа, а также крыльчатки.

Обнаружили, что вал изношен? Тогда следует заменить вкладыши. Вал обтачивается под ремонтный размер, затем выполняется его балансировка. Заметили, что выработка есть только на вкладышах, устанавливаем новые детали подходящего размера.

Как только ремонт будет завершен, производим сборку механизма, монтируем его обратно. Также следует удостовериться в том, что стопорные кольца установлены на картридж достаточно плотно. В случае если они не сядут в гнезда, турбокомпрессор придет в негодность.

Прежде чем установить обратно вкладыши, втулки и маслосъемные кольца, следует нанести на них смазку. Только так не появятся задиры при запуске механизма. Собирать турбокомпрессор нужно в обратной последовательности. Усилие, с которым следует затягивать гайку крепления, составляет 5 Нм, однако рекомендуется заранее изучить инструкцию по эксплуатации турбины. Затем механизм устанавливается на мотор и крепится при помощи винтов и стопоров.

Обратите внимание! Многие неопытные водители при ремонте турбины на дизельном двигателе допускают частую ошибку. Между корпусом, втулкой и валом картриджа есть специальные зазоры, они заполнены смазкой. Нужны эти зазоры для компенсации демпферного эффекта. Автолюбитель-новичок считает, что это завышенный люфт, поэтому монтирует втулки большего размера, в натяг. Все это приводит к тому, что ротор не может нормально вращаться, втулка быстро приходит в негодность по причине эффекта демпфера и недостаточного количества масла. В итоге вал деформируется.

Кроме того, следует помнить о том, что механизм должен быть отбалансирован на стенде после проведения ремонта турбины на дизельном двигателе. Конечно, можно сделать балансировку своими силами, однако у вас должен быть опыт проведения подобной работы. Если собрать механизм неправильно, турбокомпрессор сломается, а водителю придется потратить крупную сумму на его замену или восстановление. Именно по этой причине специалисты советуют выполнять ремонт турбины на дизельном двигателе на СТО.

От чего зависит цена на ремонт турбины дизельного двигателя в автосервисе

Ремонт турбины на дизельном двигателе начинается с разборки компрессора. Многие автомобилисты-новички уверены, что сделать это несложно. Однако на самом деле они ошибаются. При обращении в автосервис цена на ремонтные работы будет выше, если у вас не российский автомобиль, а новая иномарка. Кроме того, когда за работой турбины следит электронный компьютер, ремонт окажется дороже, ведь мастеру потребуется отключить систему управления.

Сложность разборки турбокомпрессора определяется его конструктивными особенностями. Принцип здесь один: чем сложнее конструкция механизма, тем дороже ремонт. Так или иначе, но специалисту нужно будет сделать разборку, даже если этот процесс окажется достаточно длительным.

Цена ремонта турбины на дизельном двигателе также зависит от сложности поломки. Поэтому всегда необходимо понимать, зачем проводятся ремонтные работы. К примеру, если пришло время проходить техосмотр, а также обслуживать турбокомпрессор, то за такую работу вы заплатите небольшую сумму. Однако когда турбина вышла из строя, ее нужно восстановить, заменить сломанные детали, либо вообще приобрести полностью новый механизм, цена ремонта будет высокая.

Читайте также!

Кроме того, следует подобрать подходящий ремкомплект. Здесь автовладелец должен определиться, что делать. Решения может быть два: купить оригинальный ремкомплект, стоимость которого выше, либо приобрести неоригинальные детали. Получится изрядно сэкономить, если купить ремкомплект, сделанный не в Европе, а в Китае. Однако не стоит обманываться, думая, что неоригинальные детали прослужат долго.

Важно! В автосервисе специалисты не смогут назвать вам точную сумму ремонта турбины на дизельном авто, не проведя диагностику машины. Понятно, что в каждой фирме есть стандартный прайс, однако указанная в нем стоимость работ примерная, она может увеличиться, если поломка сложная.

Сроки эксплуатации турбины на дизельных двигателях: мнение автовладельцев

1. Жива до сих пор

«Судя по отзывам о ремонте турбин дизельных двигателей большинства автовладельцев, то правила эксплуатации таковы: заливать качественную смазку и вовремя ее менять, придерживаться правильного режима охлаждения при стопе. Тогда на протяжении всего срока эксплуатации ремонт турбины на дизельном двигателе не потребуется. На моем авто пробег 147 000 км, и турбокопрессор был и есть в идеальном состоянии».

«Откатал на моей Audi TDI двухлитровой 226 000 километров. Не так давно проводил технический осмотр, турбина стоит оригинальная заводская, работает без нареканий. Сервисмены сообщили, что ресурс турбокомпрессора точно такой же, как и дизельного мотора. Причем и вариатор прослужит столько же. В Германии всегда делали и будут делать долговечные машины. Ведь у них есть и опыт, и репутация брендов хорошая».

«Довелось наблюдать движки, которые откатали больше 200 000 километров. Однако их хозяева заботятся о своих автомобилях, заливают присадки, используют только качественное топливо, и вообще знают эти моторы, как свои пять пальцев. Я считаю, что если горючее хорошее, то с машиной все будет нормально. Но если один раз залить низкокачественную солярку, механизм сломается».

«Как работает турбина на дизельном двигателе? Представьте, что вы разбудили спринтера и сонного заставили его бежать, вряд ли он прибежит к финишу первый. И после бега его дыхание сразу же не успокоится. То же самое и с турбокомпрессором. Не важно, сколько вы откатали на машине, это никак не влияет на работоспособность турбины. Был у меня автомобиль с пробегом 240 километров, но давление в турбине было нормальным, убедились в этом, когда провели замеры в автосервисе».

«Собираетесь взять подержанный автомобиль либо контрактный турбокомпрессор? Гарантии, что ремонт не потребуется, нет. Даже если мотор и турбина новые, сломать все можно на сутки. Причем восстановить силовой агрегат уже не получится. Здесь даже не потребуется ездить на машине в экстремальном режиме. Просто неправильно заглушите двигатель либо вырубите пару раз зажигание, если двигатель работает на не оборотах ХХ, а намного выше».

«На моем авто охлаждение турбокомпрессора осуществляется при помощи антифриза, причем механизм закрыт защитным кожухом, есть электроуправление. Думаю, что служить турбина будет очень и очень долго. Уже откатала 180 000 км, никаких проблем не возникало. Лопасти чистые, как первый снег. Весь секрет в правильном уходе».