Зачем используется турбокомпрессор в данной установке

15

Устройство и принцип работы турбокомпрессора

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:
— Корпус. Выполняется из жаропрочных материалов (стали). Он имеет форму улитки с двумя разнонаправленными патрубками, оснащенными фланцами для крепления в системе турбонаддува.
— Турбинное колесо. Преобразует энергию отработавших газов во вращение вала, на котором оно жестко зафиксировано. Изготавливается из жаропрочных материалов (железо-никелевый сплав).
— 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.
— Вал турбины (ось) — соединяет турбинное и компрессорное колеса.
— 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.
— 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.

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

Виды и срок службы турбокомпрессоров
Основным недостатком работы турбины является возникающий на малых оборотах двигателя эффект «турбоямы». Он представляет собой временную задержку отклика системы на изменение оборотов двигателя. Для устранения этого недостатка разработаны различные виды турбокомпрессоров:
— Система twin-scroll, или раздельный турбокомпрессор. Конструкция имеет два канала, которые разделяют камеру турбины и, соответственно, поток отработавших газов. Это обеспечивает более быстрое реагирование, максимальную производительность турбины, а также предотвращает перекрытие выпускных каналов.
— Турбина с изменяемой геометрией (с переменным соплом). Такая конструкция чаще используется на дизеле. Она предусматривает изменение сечения входа в колесо турбины за счет подвижности ее лопастей. Смена угла поворота позволяет регулировать поток отработавших газов, благодаря чему происходит согласование скорости отработавших газов и рабочих оборотов двигателя. На бензиновом двигателе турбина с изменяемой геометрией часто устанавливается на спортивных автомобилях.

К минусам турбокомпрессоров можно отнести и небольшой срок службы турбины. Для бензиновых двигателей он в среднем составляет 150 000 километров пробега машины. В свою очередь, ресурс турбины дизельного двигателя несколько больше и в среднем достигает 250 000 километров. При постоянной езде на высоких оборотах, а также при неправильном подборе масла сроки эксплуатации могут сократиться в два или даже в три раза.
В зависимости от того, как работает турбина, на бензиновом или дизельном двигателе, можно судить о ее исправности. Сигналом о необходимости проверки узла является появление синего или черного дыма, снижение мощности двигателя, а также появление свиста и скрежета. Для профилактики неисправностей необходимо вовремя менять масло, воздушные фильтры и регулярно проходить техобслуживание.

Что такое турбонаддув

Такая вот небольшая с виду «улитка» — один из самых действенных способов увеличить мощность двигателя.

Несомненно, каждый из нас хоть раз в жизни замечал на обычном с виду автомобиле шильдик «turbo». Производители, как нарочно, делают эти шильдики небольшого размера и размещают в неприметных местах так, что непосвящённый прохожий не заметит и пройдёт мимо. А понимающий человек непременно остановится и заинтересуется автомобилем. Ниже приводится рассказ о причинах такого поведения.

Автомобильные конструкторы (с момента появления на свете этой профессии) постоянно озабочены проблемой повышения мощности моторов. Законы физики гласят, что мощность двигателя напрямую зависит от количества сжигаемого топлива за один рабочий цикл. Чем больше топлива мы сжигаем, тем больше мощность. И, скажем, захотелось нам увеличить «поголовье лошадей» под капотом — как это сделать? нас и поджидают проблемы.

Дело в том, что для горения топлива необходим кислород. Так что в цилиндрах сгорает не топливо, а топливно-воздушная смесь. Мешать топливо с воздухом нужно не на глазок, а в определённом соотношении. К примеру, для бензиновых двигателей на одну часть топлива полагается частей воздуха — в зависимости от режима работы, состава горючего и прочих факторов.

Как мы видим, воздуха требуется весьма много. Если мы увеличим подачу топлива (это не проблема), нам также придётся значительно увеличить и подачу воздуха. Обычные двигатели засасывают его самостоятельно разницы давлений в цилиндре и в атмосфере. Зависимость получается прямая — чем больше объём цилиндра, тем больше кислорода в него попадёт на каждом цикле. Так и поступали американцы, выпуская огромные двигатели с умопомрачительным расходом горючего. А есть ли способ загнать в тот же объём больше воздуха?

Есть, и впервые придумал его господин Готтлиб Вильгельм Даймлер (Gottlieb Wilhelm Daimler). Знакомая фамилия? Ещё бы, именно она используется в названии DaimlerChrysler. Так вот, этот немец весьма неплохо соображал в моторах и ещё в 1885 году придумал, как загнать в них больше воздуха. Он догадался закачивать воздух в цилиндры с помощью нагнетателя, представлявшего собой вентилятор (компрессор), который получал вращение непосредственно от вала двигателя и загонял в цилиндры сжатый воздух.

Швейцарский инженер-изобретатель Альфред Бюхи (Alfred J. Büchi) пошёл ещё дальше. Он заведовал разработкой дизельных двигателей в компании Sulzer Brothers, и ему категорически не нравилось, что моторы были большими и тяжёлыми, а мощности развивали мало. Отнимать энергию у «движка», чтобы вращать приводной компрессор, ему также не хотелось. Поэтому в 1905 году господин Бюхи запатентовал первое в мире устройство нагнетания, которое использовало в качестве движителя энергию выхлопных газов. Проще говоря, он придумал турбонаддув.

Идея умного швейцарца проста, как всё гениальное. Как ветра вращают крылья мельницы, также и отработавшие газы крутят колесо с лопатками. Разница только в том, что колесо это очень маленькое, а лопаток очень много. Колесо с лопатками называется ротором турбины и посажено на один вал с колесом компрессора. Так что условно турбонагнетатель можно разделить на две части — ротор и компрессор. Ротор получает вращение от выхлопных газов, а соединённый с ним компрессор, работая в качестве «вентилятора», нагнетает дополнительный воздух в цилиндры. Вся эта мудрёная конструкция и называется турбокомпрессор (от латинских слов turbo — вихрь и compressio — сжатие) или турбонагнетатель.

В турбомоторе воздух, который попадает в цилиндры, часто приходится дополнительно охлаждать — тогда его давление можно будет сделать выше, загнав в цилиндр больше кислорода. Ведь сжать холодный воздух (уже в цилиндре ДВС) легче, чем горячий.

Воздух, проходящий через турбину, нагревается от сжатия, а также от деталей турбонаддува, разогретого выхлопными газами. Подаваемый в двигатель воздух охлаждают при помощи так называемого интеркулера (промежуточный охладитель). Это радиатор, установленный на пути воздуха от компрессора к цилиндрам мотора. Проходя через него, он отдаёт своё тепло атмосфере. А холодный воздух более плотный — значит, его можно загнать в цилиндр ещё больше.

Чем больше выхлопных газов попадает в турбину, тем быстрее она вращается и тем больше дополнительного воздуха поступает в цилиндры, тем выше мощность. Эффективность этого решения по сравнению, например, с приводным нагнетателем в том, что на «самообслуживание» наддува тратится совсем немного энергии двигателя — всего 1,5%. Дело в том, что ротор турбины получает энергию от выхлопных газов не за счёт их замедления, а за счёт их охлаждения — после турбины выхлопные газы идут быстро, но более холодные. Кроме того, затрачиваемая на сжатие воздуха даровая энергия повышает КПД двигателя. Да и возможность снять с меньшего рабочего объёма большую мощность означает меньшие потери на трение, меньший вес двигателя (и машины в целом). Всё это делает автомобили с турбонаддувом более экономичными в сравнении с их атмосферными собратьями равной мощности. Казалось бы, вот оно, счастье. Ан нет, не всё так просто. Проблемы только начались.

, скорость вращения турбины может достигать 200 тысяч оборотов в минуту, , температура раскалённых газов достигает, только попробуйте представить, 1000°C! Что всё это означает? То, что сделать турбонаддув, который сможет выдержать такие неслабые нагрузки длительное время, весьма дорого и непросто.

По этим причинам турбонаддув получил широкое распространение только во время Второй мировой войны, да и то только в авиации. В годах американская компания Caterpillar сумела приспособить его к своим тракторам, а умельцы из Cummins сконструировали первые турбодизели для своих грузовиков. На серийных легковых машинах турбомоторы появились и того позже. Случилось это в 1962 году, когда почти одновременно увидели свет Oldsmobile Jetfire и Chevrolet Corvair Monza.

Но сложность и дороговизна конструкции — не единственные недостатки. Дело в том, что эффективность работы турбины сильно зависит от оборотов двигателя. На малых оборотах выхлопных газов немного, ротор раскрутился слабо, и компрессор почти не задувает в цилиндры дополнительный воздух. Поэтому бывает, что до трёх тысяч оборотов в минуту мотор совсем не тянет, и только потом, тысяч после четырёх-пяти, «выстреливает». Эта ложка дёгтя называется турбоямой. Причём чем больше турбина, тем она дольше будет раскручиваться. Поэтому моторы с очень высокой удельной мощностью и турбинами высокого давления, как правило, страдают турбоямой в первую очередь. А вот у турбин, создающих низкое давление, никаких провалов тяги почти нет, но и мощность они поднимают не очень сильно.

Почти избавиться от турбоямы помогает схема с последовательным наддувом, когда на малых оборотах двигателя работает небольшой малоинерционный турбокомпрессор, увеличивая тягу на «низах», а второй, побольше, включается на высоких оборотах с ростом давления на выпуске. В прошлом веке последовательный наддув использовался на суперкаре Porsche 959, а сегодня по такой схеме устроены, например, турбодизели фирм BMW и Land Rover. В бензиновых двигателях Volkswagen роль маленького «заводилы» играет приводной нагнетатель.

На рядных двигателях зачастую используется одиночный турбокомпрессор (пара «улиток») с двойным рабочим аппаратом. Каждая из «улиток» наполняется выхлопными газами от разных групп цилиндров. Но при этом обе подают газы на одну турбину, эффективно раскручивая её и на малых, и на больших оборотах

Но чаще по-прежнему встречается пара одинаковых турбокомпрессоров, параллельно обслуживающих отдельные группы цилиндров. Типичная схема для турбомоторов, где у каждого блока свой нагнетатель. Хотя двигатель V8 фирмы M GmbH, дебютировавший на автомобилях BMW X5 M и X6 M, оснащён перекрёстным выпускным коллектором, который позволяет компрессору получать выхлопные газы из цилиндров разных блоков, работающих в противофазе.

Заставить турбокомпрессор работать эффективнее во всём диапазоне оборотов, можно ещё изменяя геометрию рабочей части. В зависимости от оборотов внутри «улитки» поворачиваются специальные лопатки и варьируется форма сопла. В результате получается «супертурбина», хорошо работающая во всём диапазоне оборотов. Идеи эти витали в воздухе не один десяток лет, но реализовать их удалось относительно недавно. Причём сначала турбины с изменяемой геометрией появились на дизельных двигателях, благо, температура газов там значительно меньше. А из бензиновых автомобилей первый примерил такую турбину Porsche 911 Turbo.

Конструкцию турбомоторов довели до ума уже давно, а в последнее время их популярность резко возросла. Причём турбокомпрессоры оказалось перспективным не только в смысле форсирования моторов, но и с точки зрения повышения экономичности и чистоты выхлопа. Особенно актуально это для дизельных двигателей. Редкий дизель сегодня не несёт приставки «турбо». Ну а установка турбины на бензиновые моторы позволяет превратить обычный с виду автомобиль в настоящую «зажигалку». Ту самую, с маленьким, едва заметным шильдиком «turbo».

Турбокомпрессор: сердце системы наддува воздуха

Турбокомпрессор: сердце системы наддува воздуха

Для повышения мощности двигателей внутреннего сгорания широкое применение находят специальные агрегаты — турбокомпрессоры. О том, что такое турбокомпрессор, каких типов бывают эти агрегаты, как они устроены и на каких принципах основана их работа, а также об их обслуживании и ремонте читайте в статье.

Что такое турбокомпрессор?

Турбокомпрессор — основной компонент системы агрегатного наддува двигателей внутреннего сгорания, агрегат для повышения давления во впускном тракте двигателя за счет энергии отработавших газов.

Турбокомпрессор применяется для повышения мощности двигателя внутреннего сгорания без коренного вмешательства в его конструкцию. Данный агрегат повышает давление во впускном тракте двигателя, обеспечивая подачу в камеры сгорания увеличенного количества топливно-воздушной смеси. В этом случае сгорание происходит при более высокой температуре с образованием большего объема газов, что приводит к повышению давления на поршень и, как следствие, к росту крутящего момента и мощностных характеристик двигателя.

Применение турбокомпрессора позволяет увеличить мощность двигателя на 20-50% с минимальным увеличением его стоимости (а при более значительных доработках рост мощности может достигать 100-120%). Благодаря своей простоте, надежности и эффективности системы наддува на основе турбокомпрессоров находят самое широкое применение на всех типах транспортных средств с ДВС.

Типы и характеристики турбокомпрессоров

Сегодня существует большое разнообразие турбокомпрессоров, но их можно разделить на группы по назначению и применимости, типу используемой турбины и дополнительному функционалу.

По назначению турбокомпрессоры можно разделить на несколько типов:

• Для одноступенчатых систем наддува — один турбокомпрессор на двигатель, либо два и более агрегатов, работающих на несколько цилиндров;
• Для последовательных и последовательно-параллельных систем надува (различные варианты Twin Turbo) — два одинаковых или разных по характеристикам агрегата, работающих на общую группу цилиндров;
• Для двухступенчатых систем наддува — два турбокомпрессора с различными характеристиками, которые работают в паре (последовательно друг за другом) на одну группу цилиндров.

Наиболее широкое применение находят одноступенчатые системы наддува, построенные на основе одного турбокомпрессора. Однако такой системе может присутствовать два или четыре одинаковых агрегата — например, в V-образных двигателях используются отдельные турбокомпрессоры на каждый ряд цилиндров, в многоцилиндровых моторах (более 8) могут применяться четыре турбокомпрессора, каждый из которых работает на 2, 4 или более цилиндров. Меньшее распространение получили двухступенчатые системы наддува и различные вариации Twin-Turbo, в них используется два турбокомпрессора с различными характеристиками, которые могут работать только в паре.

По применимости турбокомпрессоры можно условно разделить на несколько групп:

• По типу двигателя — для бензиновых, дизельных и газовых силовых агрегатов;
• По объему и мощности двигателя — для силовых агрегатов малой, средней и большой мощности; для высокооборотистых двигателей, и т.д.

Турбокомпрессоры могут оснащаться турбиной одного из двух типов:

• Радиальной (радиально-осевой, центростремительной) — поток отработавших газов подается на периферию крыльчатки турбины, движется к ее центру и выводится в осевом направлении;
• Осевой — поток отработавших газов подается вдоль оси (к центру) крыльчатки турбины и выводится с ее периферии.

Сегодня применяются обе схемы, но на двигателях небольшого объема чаще можно встретить турбокомпрессоры с радиально-осевой турбиной, а на мощных силовых агрегатах предпочтение отдается осевым турбинам (хотя это и не является правилом). Независимо от типа турбины, все турбокомпрессоры оснащаются центробежным компрессором — в нем воздух подается к центру крыльчатки и отводится от ее периферии.

Современные турбокомпрессоры могут иметь различный функционал:

• Двойной вход — турбина имеет два входа, на каждый из них поступают отработавшие газы от одной группы цилиндров, такое решение снижает перепады давления в системе и улучшает стабильность наддува;
• Изменяемая геометрия — турбина имеет подвижные лопасти или скользящее кольцо, посредством которых можно изменять поток отработавших газов на рабочее колесо, это позволяет изменять характеристики турбокомпрессора в зависимости от режима работы двигателя.

Наконец, турбокомпрессоры отличаются основными эксплуатационными характеристиками и возможностями. Из основных характеристик этих агрегатов следует выделить:

• Степень повышения давления — отношение давления воздуха на выходе компрессора к давлению воздуха на входе, лежит в пределах 1,5-3;
• Подача компрессора (расход воздуха через компрессор) — масса воздуха, проходящая через компрессор за единицу времени (секунду), лежит в пределах 0,5-2 кг/с;
• Рабочий диапазон оборотов — лежит в пределах от нескольких сотен (для мощных тепловозных, промышленных и иных дизелей) до десятков тысяч (для современных форсированных двигателей) оборотов в секунду. Максимальная скорость ограничена прочностью рабочих колес турбины и компрессора, при слишком высокой скорости вращения за счет центробежных сил колесо может разрушиться. В современных турбокомпрессорах периферийные точки колес могут вращаться со скоростями 500-600 и более м/с, то есть — в 1,5-2 раза быстрее скорости звука, это и обуславливает возникновение характерного свиста турбины;
• Рабочая/максимальная температура отработавших газов на входе в турбину — лежит в пределах 650-700°С, в отдельных случаях достигает 1000°С;
• КПД турбины/компрессора — обычно составляет 0,7-0,8, в одном агрегате КПД турбины обычно меньше КПД компрессора.

Типовая схема системы агрегатного наддува воздуха ДВС

Также агрегаты отличаются размерами, типом монтажа, необходимостью применять вспомогательные компоненты и т.д.

Конструкция турбокомпрессора

В общем случае турбокомпрессор состоит из трех основных узлов:

1. Турбина;
2. Компрессор;
3. Корпус подшипников (центральный корпус).

Турбина — агрегат, преобразующий кинетическую энергию отработавших газов в механическую энергию (в крутящий момент колеса), которая обеспечивает работу компрессора. Компрессор — агрегат для нагнетания воздуха. Корпус подшипников связывает оба агрегата в единую конструкцию, а расположенный в нем вал ротора обеспечивает передачу крутящего момента от колеса турбины на колесо компрессора.

Разрез турбокомпрессора

Турбина и компрессор имеют схожую конструкцию. Основой каждого из этих агрегатов выступает корпус-улитка, в периферийной и центральной части которого расположены патрубки для соединения с системой наддува. У компрессора впускной патрубок всегда находится в центре, выпускной (нагнетательный) — на периферии. Такое же расположение патрубков у осевых турбин, у радиально-осевых турбин расположение патрубков обратное (на периферии — впускной, в центре — выпускной).

Внутри корпуса располагается колесо с лопатками специальной формы. Оба колеса — турбинное и компрессорное — удерживаются общим валом, который проходит через корпус подшипников. Колеса — цельнолитые или составные, форма лопаток турбинного колеса обеспечивает максимально эффективное использование энергии отработавших газов, форма лопаток компрессорного колеса обеспечивает максимальный центробежный эффект. В современных турбинах высокого класса могут использоваться составные колеса с керамическими лопатками, которые имеют низкую массу и обладают лучшими характеристиками. Размер колес турбокомпрессоров автомобильных двигателей — 50-180 мм, мощных тепловозных, промышленных и иных дизелей — 220-500 и более мм.

Оба корпуса монтируются на корпус подшипников с помощью болтов через уплотнения. Здесь располагаются подшипники скольжения (реже — подшипники качения специальной конструкции) и уплотнительные кольца. Также в центральном корпусе выполняются масляные каналы для смазки подшипников и вала, а в некоторых турбокомпрессорах и полости водяной рубашки охлаждения. При монтаже агрегат соединяется с системами смазки и охлаждения двигателя.

В конструкции турбокомпрессора могут быть предусмотрены и различные вспомогательные компоненты, в том числе детали системы рециркуляции отработавших газов, масляные клапаны, элементы для улучшения смазки деталей и их охлаждения, регулировочные клапаны и т.д.

Детали турбокомпрессора изготавливаются из специальных марок стали, для колеса турбины применяются жаропрочные стали. Материалы тщательно подбираются по коэффициенту температурного расширения, что обеспечивает надежность конструкции на различных режимах работы.

Турбокомпрессор включается в систему наддува воздуха, в которую также входят впускной и выпускной коллекторы, а в более сложных системах — интеркулер (радиатор охлаждения наддувного воздуха), различные клапаны, датчики, заслонки и трубопроводы.

Принцип работы турбокомпрессора

Принцип работы турбокомпрессора

Функционирование турбокомпрессора сводится к простым принципам. Турбина агрегата внедряется в выпускную систему двигателя, компрессор — во впускной тракт. Во время работы мотора выхлопные газы поступают в турбину, ударяются о лопатки колеса, отдавая ему часть своей кинетической энергии и заставляя ее вращаться. Крутящий момент от турбины посредством вала напрямую передается на колеса компрессора. При вращении колесо компрессора отбрасывает воздух на периферию, повышая его давление — этот воздух подается во впускной коллектор.

Одиночный турбокомпрессор имеет ряд недостатков, основной из которых — турбозадержка или турбояма. Колеса агрегата имеют массу и некоторую инерцию, поэтому не могут мгновенно раскручиваться при повышении оборотов силового агрегата. Поэтому при резком нажатии на педаль газа турбированный двигатель разгоняется не сразу — возникает короткая пауза, провал мощности. Решением этой проблемы служат специальные системы управления турбиной, турбокомпрессоры с изменяемой геометрией, последовательно-параллельные и двухступенчатые системы наддува, и другие.

Вопросы обслуживания и ремонта турбокомпрессоров

Турбокомпрессор нуждается в минимальном техническом обслуживании. Главное — вовремя производить замену масла и масляного фильтра двигателя. Если мотор еще может какое-то время работать на старом масле, то для турбокомпрессора оно может стать смертельно опасным — даже незначительное ухудшение качества смазочного материала на высоких нагрузках может привести к заклиниванию и разрушению агрегата. Также рекомендуется периодически очищать детали турбины от нагара, что требует ее разбора, однако эту работу следует выполнять только с применением специального инструмента и оборудования.

Неисправный турбокомпрессор в большинстве случаев проще заменить, чем ремонтировать. Для замены необходимо использовать агрегат того же типа и модели, что был установлен на двигателе ранее. Монтаж турбокомпрессора с иными характеристиками может нарушить работу силового агрегата. Подбор, монтаж и настройку агрегата лучше доверять специалистам — это гарантирует правильное выполнение работ и нормальную работу двигателя. При правильной замене турбокомпрессора двигатель снова обретет высокую мощность и сможет решать самые сложные задачи.

Другие статьи

Замена клапанов двигателя внутреннего сгорания затрудняется необходимостью съема сухарей — для этой операции используются специальные рассухариватели клапанов. Все об этом инструменте, его существующих типах, конструкции и принципе действия, а также о его выборе и применении читайте в данной статье.

Во многих отечественных автомобилях ранних выпусков широко использовались центральные переключатели света с реостатом, позволяющим регулировать яркость подсветки приборов. Все о данных устройствах, их существующих типах, конструкции, работе, а также об их правильном выборе и замене читайте в статье.

Одной из основных деталей распределителя зажигания является опорная пластина, отвечающая за функционирование прерывателя. Все о пластинах прерывателя, их существующих типах и конструктивных особенностях, а также о подборе, замене и регулировках данных компонентов подробно рассказано в данной статье.

В автомобилях, тракторах, автобусах и иной технике электрические генераторы монтируются к двигателю посредством кронштейна и натяжной планки, обеспечивающей регулировку натяжения ремня. О планках генератора, их существующих типах и конструкции, а также выборе и замене этих деталей — читайте в статье.

Турбина: как работает, почему ломается

Турбина, или, как ее правильно называть – турбокомпрессор, служит для нагнетания воздуха в цилиндры двигателя. Чем больше воздуха попадает в цилиндры, тем больше топлива можно с ним смешать и получить в результате более высокие мощностные характеристики двигателя без увеличения его рабочего объема.

Как устроена турбина

Турбокомпрессор имеет привод от потока выхлопных газов: жесткой связи с какими-либо движущимися частями двигателя у него нет. Это прерогатива, например, компрессора, который приводится непосредственно со шкива коленвала. На первый взгляд «турбина» устроена просто: представьте себе вал, на обои концах которого расположены две крыльчатки. Крыльчатки помещены в герметичные корпуса, «закрученные» на один оборот будто ракушки улитки. Турбинное колесо приводится от потока выхлопных газов: выхлопные газы воздействуют на лопасти турбины, раскручивают его и уходят дальше в выхлопную систему через центральное отверстие улитки. Соединенное валом с турбинным колесом компрессорное (насосное) колесо начинает вращаться с той же скоростью и нагнетать воздух во впускной коллектор. Компрессор всасывает воздух через центральное отверстие, передает его к лопаткам. При этом обеспечивается нагнетание воздуха под заданным давлением. Сжатый воздух направляется дальше во впускную систему двигателя: попадает в цилиндры, проходя через промежуточный охладитель-радиатор (интеркулер). Сжатому воздуху нужно охлаждение, т.к. при сжатии воздух неизбежно нагревается. Подавать нагретый воздух в камеры сгорания бессмысленно: моментально падает КПД двигателя.

Турбокомпрессор оснащен рядом компонентов, обеспечивающих его регулировку, управление и контроль. Часто на дизельных двигателях применяются турбины с «изменяемой геометрией». Геометрия тут действительно меняется, но не турбины как таковой, а ее направляющего аппарата, который представляет собой встроенные в «улитку» турбины планки-лопасти. Эти лопасти, подобно закрылками на крыльях самолета, меняют свое положение относительно насосного колеса. Лопасти приводятся от отдельного актуатора, управляемого соленоидом. Чем ниже скорость работы дизельного двигателя, тем меньше поток и давление выхлопных газов. Следовательно, лопатки принимают большой угол атаки, чтобы сильнее направлять газы на лопасти турбины. С ростом объема выхлопных газов угол атаки лопаток направляющего механизма снижается. Направляющего аппарата у турбин бензиновых двигателей не бывает – в нем нет нужды. Единственные бензиновые турбомоторы с регулируемой геометрией направляющего аппарата турбины применяются на 4- и 6-цилиндровых оппозитных моторах Porsche.

Зато на бензиновых моторах все большее распространение приобретают двухпоточные турбины, в английской терминологии twinscroll. Суть в том, что выпускной коллектор, подводящий выхлопные газы к турбине, «собирает» газы в два раздельных канала. Такое разделение (буквально как в коллекторе типа 4-2-1, также известному как «паук») позволяет снизить противодавление газов в выпускном коллекторе, улучшить его продувку и в итоге немного повысить эффективность двигателя. К тому же и поток газов к турбине в этом случае более равномерный.

Любые автомобильные турбины оснащаются перепускным клапаном (байпас, от англ. bypass – обход). Этот клапан служит для стравливания избытка сжатого компрессором воздуха в момент резкого закрытия дросселя (отпускания педали газа). Если этот воздух не стравливать, он пойдет из впускного коллектора обратно в противоход вращению крыльчатки, в результате чего возможно повреждение элементов ротора компрессора.

Также турбокомпрессоры оснащаются перепускной заслонкой или клапаном на выпуске. Этот клапан называется «уэстгейт» (от англ. wastegate – дословно «ворота растраты», или просто перепускной клапан). Он служит для того, чтобы направлять часть потока выхлопных газов в обход турбины. При этом ограничивается и контролируется скорость вращения ротора турбокомпрессора. Уэстгейт приводится от специального актуатора («вакуумника»), который управляется соленоидом. Обычно соленоид связан и с актуатором, и с впускным коллектором вакуумными трубками.

Важной частью любого турбокомпрессора являются подшипники, на которых удерживается и вращается вал. Подшипники обязательно нуждаются в смазке и охлаждении моторным маслом, которое подводится к ним по специально выделенным каналам. Иногда, в основном на гоночных автомобилях, подшипники турбокомпрессора охлаждаются антифризом (он омывает обоймы, а не сами подшипники).

Турбокомпрессор в целом не считается проблемным и капризным элементом силового агрегата. Эта деталь способна не доставлять проблем весь срок службы двигателя. Если экономить на обслуживании силового агрегата или ездить агрессивно и неаккуратно, снижается срок службы и мотора, и турбины.

Причины поломок турбины

Недостаток смазки и охлаждения

Чаще всего турбина выходит из строя из-за недостатка смазки подшипников, на которые опирается ее вал. Причины, которые привели к масляному голоданию, следует искать вне турбины. Эта поломка приводит к износу подшипников и их перегреву: масло не только смазывает, но и охлаждает. Обычно из-за масляного голодания нормальная рабочая температура подшипников и вала турбины подскакивает с 60-90°С до 400°С (к неотведенному теплу добавляется тепло, выделяемое в подшипниках при трении). При такой температуре остатки масла буквально горят, коксуются и еще сильнее засоряют маслопроводящие каналы и отверстия в подшипниках. Работающие «на сухую» перегретые подшипники быстро изнашиваются, зазор увеличивается до недопустимых размеров. В таких условиях вал турбины может потерять центровку. Это в свою очередь приведет к тому, что роторы турбокомпрессора начнут задевать за корпуса («улитки»). Турбокомпрессор получит серьезные повреждения и либо заклинит, либо разрушатся его внутренние детали.

То, как быстро произойдет поломка турбины и насколько серьезными будут последствия, зависит от характера масляного голодания. Нехватка масла может наступить быстро. Например, в случае обрыва маслопроводящей трубки или резкого уменьшения производительности масляного насоса. Резкое масляное голодание может погубить отремонтированную или новую установленную турбину. Эта неприятность случается при неправильной установке турбокомпрессора, когда в масляных каналах в картридже сохраняется воздушная пробка, которую масло не в состоянии продавить.

Медленное масляное голодание развивается в условиях небольшого недостатка масла из-за, например, снижения производительности масляного насоса, закоксованности масляной магистрали или их перегибов.

Периодическое масляное голодание обычно происходит при резкой остановке турбомотора после серьезных нагрузок. В этом случае прекращается смазка и охлаждение, но в полостях турбины сохраняется высокая температура, при которой масло коксуется и если не забивает масляные каналы, то уменьшает площадь их сечения. В перспективе это может привести к медленному масляному голоданию и связанных с ним поломках.

Загрязненное масло

Нередко моторное масло содержит в себе частицы износа трущихся деталей двигателя. Если фильтр не задерживает абразив, то он неизбежно попадет в масляные каналы турбины (и другие важные детали двигателя). В результате владелец столкнется с поломкой, вызванной износом подшипников, увеличением радиального люфта. В любом случае факты, приводящие к поломке, находятся в двигателе, а не в турбине.

Попадание посторонних предметов

И тут причины неисправности турбины, произошедшие из-за разрушения или повреждения ее лопастей твердыми частицами, лежат за пределами ее корпуса. Чтобы достичь лопастей ротора, обычно это ротор компрессора, посторонние частицы должны попасть во впускную систему двигателя. Как правило мусор прорывается через изношенный воздушный фильтр или через неплотные соединения впускных патрубков. Мелкие частицы вызывают локальные повреждения кромок ротора или их сошлифовывание.

Подпор картерных газов

Картерные газы так или иначе циркулируют в двигателе. Они образуются при прорыве газов из цилиндров через поршневые кольца. Любой двигатель оснащен системой вентиляции этих газов: без нее внутри двигателя (под клапанной крышкой и в картере) образовывалось бы избыточное давление, способное выдавить любые уплотнения двигателя (первыми в этом случае сдаются сальники коленвала или распредвалов). К тому же картерные газы несут в себе частицы сгоревшего топлива, которые обычно отфильтровываются в выхлопной системе.

Одним словом, если система вентиляции картерных газов засоряется или ее производительность снижается по другим причинам, избыточное давление может препятствовать стеканию масла из каналов турбины обратно в двигатель. В этом случае масло будет искать себе другую дорогу. Масло может просачиваться в холодную (компрессорную) часть: отсюда оно попадает в интеркулер, а оттуда – во впускные каналы и, следовательно, в камеры сгорания. Тут оно просто сгорает. В результате можно столкнуться с «жором масла», никак не связанным с состоянием ЦПГ.

Если масло будет уходить в горячую (турбинную) часть, то оно тоже сгорит под действием высоких температур. Правда, сгорание приведет к образованию масляного налета – закоксовыванию – внутри «улитки». Порой приходится сталкиваться с тем, что количество отложений бывает настолько большим, что ротор турбины начинает задевать за него и перестает свободно вращаться.

Также картерные газы могут достичь точек смазки и охлаждения подшипников. В этом случает происходит масляное голодание, закоксовывание маслопроводящих каналов. Все это вновь приводит к выходу турбокомпрессора из строя.

Симптомы неисправности турбины

Любые неисправности в системе наддува воздуха обычно связаны с несвоевременным и некачественным обслуживанием автомобиля либо его эксплуатацией в предельных режимах. Регулярные ТО по технологии производителя машины и применение сертифицированных материалов (масел, фильтров и т.д.) обеспечивают турбокомпрессору надежность и безотказность.

Причины поломок турбокомпрессора обычно кроются не в нем самом, а в двигателе. Если турбина начала подавать тревожные сигналы, то помимо ее ремонта нужно позаботиться о поиске неисправности и ее устранении. Возможно поломку вызвала та или иная подсистема силового агрегата. Если не устранить неисправность, отремонтированный или новый турбокомпрессор, установленный вместо дефектного, быстро выйдет из строя.

Симптомы неисправности турбины можно условно разделить несколько больших частей.

1. Падение мощности двигателя, снижение разгонной динамики. Этот симптом ощущается моментально водителем. Не сложно догадаться, что неисправность следует искать в недостаточном поступлении воздуха в двигатель из-за неисправной системы управления наддувом или его повреждения. Если при этом в моторном отсеке появляется задымление, то следует искать утечку выхлопных газов.

2. Дым из выхлопной трубы подозрительного цвета: сизого (белого, синего) или черного. Дым светлого цвета, валящий из выхлопной трубы при ускорении, является причиной сгорания масла в цилиндрах двигателя. Оно туда может попасть из-за утечек в турбокомпрессоре. Если масло попадает в камеры сгорания, то его следы можно обнаружить в интеркулере и во впускном коллекторе.

Черный цвет выхлопных газов свидетельствует о сгорании в цилиндрах обогащенной топливной смеси. В этом случае следует искать утечки воздуха в «холодной» части турбокомпрессора, включая интеркулер и впускной коллектор.

1. Снижение уровня масла – этот симптом может свидетельствовать как о сгорании масла в цилиндрах, так и о его утечках и сгорании внутри «улитки» турбины.

2. Посторонние шумы при работе турбокомпрессора могут быть вызваны как утечками воздуха или выхлопных газов, так и механическими повреждениями турбины (ее крыльчаток или подшипников).

Ремонт турбины: починка или замена?

Прежде чем решиться на манипуляции с турбиной нужно определить причину неисправности и устранить ее ведь дело может быть вовсе не в турбине. Если же по итогам диагностики была «приговорена» турбина, то и тут не стоит спешить с заменой. Турбокомпрессор – узел, состоящий из ряда компонентов, подлежащих замене и, иногда, ремонту. Можно отдельно поменять любой из роторов, актуатор, клапаны и даже корпус турбины. Также продаются ремкомплекты турбин со всеми необходимыми уплотнениями. Корпус, как правило, разборный: отдельно идут «улитки» турбины и компрессора и центральная часть, называемая «картриджем». В картридж входит центральная часть турбины с подшипниками, сальниками, валом и обоими роторами. Стоимость картриджа варьируется от 200 до 350 рублей. Замена обойдется еще в 200 рублей.

«Базовый» вариант ремонта турбины – это ее замена целиком. Стоимость «б/ушных» турбин на популярные модели автомобилей варьируется от 180 до 500 рублей. Стоимость новых и восстановленных турбин: от 600 до 1500 бел. рублей и выше.

В любом случае, неисправную турбину следует продиагностировать и определить вышедшие из строя детали. «Точечная» замена деталей может продлить жизнь турбокомпрессору и сэкономить деньги.