Что такое горячая часть турбины

9

Твинскрольная турбина. Зачем нужна и какие отличия от классической?

Турбина
Турбина – это устройство, нагнетающее воздух в двигатель. Используется для повышения мощностных характеристик мотора. В основе принципа работы турбодвигателя лежит простая идея – спалить как можно больше воздушно-топливной смеси и получить максимальный КПД двигателя.

Турбины бывают разного размера и разной конструкции – твинскрольные, с изменяемой геометрией, классические. В зависимости от поставленной задачи, автопроизводитель собирает тот набор, который наиболее точно будет отвечать нужным потребительским качествам. К примеру, сейчас все больше и больше набирают популярность малообъемные турбовжики. Они экономичны, но при этом действительно “едут”. Обеспечивается это за счет высокого вращающего момента в широком диапазоне оборотов.

Твинскрольная турбина
Твинскрольная турбина – это та же турбина, но имеющая сразу два канала в горячей части и одну сдвоенную крыльчатку. На первый взгляд крыльчатка кажется простой, но разобравшись, становится понятно, что ее лопасти имеют разный изгиб, форму и длину на разных ее диаметрах.

Что такое горячая часть турбины?
“Горячка”, как ее называют в народе, – это та часть турбины, где проходят выхлопные газы и идет непосредственно процесс “раскручивания” турбины (набор оборотов).

Зачем нужна сдвоенная крыльчатка и два канала в “горячке” ?
Одна часть крыльчатки “раскручивает” турбину на малых оборотах, вторая – на высоких. Важным нюансом является угол “попадания” отработанных газов из первой или второй камеры на нужную область крыльчатки. Таким образом происходит борьба с “турбоямами” и обеспечивается хорошая тяга в большей части рабочих оборотов.

Турбояма – это отсутствие наддува в определенном диапазоне оборотов, пока турбина еще не раскрутилась выхлопными газами до нужных оборотов, чтобы “наддуть” требуемое давление воздуха.

Почему нельзя подобрать классическую турбину такого размера, чтобы она дула во всем диапазоне?
На малых объемах это вполне реально. К примеру, у Peugeot есть серийный турбомотор 1.2 литра, развивающий 205 N/M c 1750-5500 об/мин, где используется одна турбина. Конечно же, такой широкий диапазон момента это исключительный плюс для потребителей, ведь двигатель готов выдать свой максимальный крутящий момент по первому требованию, а расход при этом будет умеренный.

На больших и средних двигателях это, увы, практически невозможно, ведь на высоких оборотах потребуется много воздуха с большой интенсивностью – значит крыльчатка горячей части в принципе не может быть маленькой. Раз она не маленькая, для ее “раскручивания” требуется много выхлопных газов, которых нельзя добиться на малых оборотах двигателя. Круг замкнулся.

Недостатки твинскрола

1) Немалая стоимость твинскрольной турбины, по сравнению с классической.
2) Придется изготовить новый выпускной колектор, поскольку одна пара цилиндров будет дуть на малую часть крыльчатки турбины, другая – на большую.

3) Логичный вывод из второго пункта: если “давка” будет более двух бар, а двигатель планируется “крутить” в небеса, уход половины выхлопных газов на малую часть крыльчатки не позволит добиться максимально возможной производительности по сравнению с одной большой крыльчаткой горячей части турбины (как в классической “сингловой” трубе).
4) Потребуется недешевая перенастройка электронного мозга двигателя, чтобы получить эффект от твинскрола.

Выводы
Твинскрольная турбина – это реальный выход, когда хочется убить сразу двух зайцев и хотя бы отчасти побороть турбояму на низах, при этом по-прежнему неплохо вжаривать на верхах. Таким образом можно приспособить не очень злые корчи к каждодневной городской эксплуатации. Или как минимум получать удовольствие от наддува в среднем диапазоне оборотов, когда жарить или не хочется, или нет возможности (трафик).

Что такое турбина простым языком

Турбина (турбокомпрессор, турбонаддув) – это автомобильный узел, который использует энергию выхлопных газов для создания избыточного давления во впускном коллекторе, для большей закачки воздуха в камеры сгорания двигателя.

Сегодня разберем на простом языке устройство турбокомпрессора, как он работает. Зачем нужна турбина в машине, что такое вестгейт и актуатор. Рассмотрим возможные неисправности и как их избежать. Какие бывают виды автомобильных турбонагнетателей, что такое твинскрольная турбина и изменяемая геометрия.

Что делает турбина или зачем она нужна в машине

Дело в том, чтобы увеличить мощность двигателя, нужно, помимо всего остального, больше воздуха подать в камеры сгорания. На «атмосферниках» это делается увеличением объёма силового агрегата.

В них поршень самостоятельно всасывает большой объём воздуха в камеру сгорания. Происходит это за счет разряжения, создаваемого над поршнем. Поэтому они называются «атмосферники» – внутрь воздух подается при атмосферном давлении.

Чтобы не увеличивать объём мотора, но повысить его мощность, были придуманы нагнетатели. Они сжимали воздух и под избыточным давлением подавали его в камеру сгорания. То есть, вдували воздух. Отсюда и название «турбонаддув» – надувают моторы воздухом.

Существует два вида нагнетателя:

1. Турбонагнетатель, она же турбина. Был разработан в Европе и применятся в европейских машинах.
2. Компрессор. Его придумали в США, там его и устанавливали до конца 20 века.

Существенных различий между этими двумя типами нагнетателей достаточно. Поэтому, если интересно – разберем подробно в следующий раз.

Как устроена турбина

Она состоит:

1. Из корпуса
2. Внутренней части – картриджа.
3. Перепускного клапана, он же «калитка». Им управляет актуатор турбины, он же Вестгейт.

В свою очередь корпус можно условно разделить на две части: горячая и холодная части. Так как турбина работает за счет энергии выхлопных газов, а они горячие, то ту часть, через которую они проходят и называют «горячей». Холодная – через неё всасывается уличный воздух, там же он сжимается до определенного давления.

Картридж турбины

Он состоит из двух крыльчаток, насаженных на противоположные стороны одного штока. Крыльчатки это и есть лопасти турбонагнетателя, которые вращаются и выполняют полезную работу.

На оси штока находится подшипник. Он позволяет беспрепятственно вращаться крыльчаткам и удерживает их в фиксированном радиальном и осевом положении, не допуская люфта. Именно люфт относительно корпуса является самой распространенной неисправностью турбины.

К этому подшипнику подводиться моторное масло для его смазки. В некоторых типах турбин оно используется для его охлаждения. Современные виды турбонагнетателей оснащены жидкостной системой охлаждения. Через патрубки подводиться тосол или антифриз из системы охлаждения двигателя.

Актуатор

Это отдельный узел, установленный на корпусе турбонагнетателя. Он состоит из нескольких частей:

1. Пневмоклапана, внутри находится мембрана, соединенная со штангой.
2. Тяги вестгейта.
3. Перепускного клапана, он же «калитка».

Пневмоклапан актуатора регулирует степень открытия перепускного клапана. При изменении разряжения в пневмоклапане, мембрана изгибается и тянет за собой штангу. Она поворачивает тягу, за которую закреплена «калитка». Открываясь, она снижает уровень наддува.

Где находиться турбина

Если она использует энергию выхлопных газов, то логично её искать недалеко от выпускного коллектора. Поэтому, от двигателя двигаемся по трубам выпуска и находим узел с двумя улитками. Одна из которых соединена с выпуском, вторая с впуском.

То есть, выхлопные газы проходят через одну улитку и уходят в выхлопную трубу. А воздух от воздушного фильтра проходит через вторую улитку и идет к интеркулеру – дополнительному радиатору спереди автомобиля.

На разных машинах она может находиться впереди или сзади двигателя. В зависимости от того, в какую сторону выведен выпускной коллектор. В некоторых моделях авто, турбокомпрессор сделан единым узлом с выпуском.

Как работает турбина

Отработанные газы из двигателя попадают в горячую часть турбонагнетателя. Проходя через лопасти крыльчатки, они её раскручивают. После этого, выхлопные газы уходят в выхлопную систему и в атмосферу. Чем выше скорость газов, тем выше скорость вращения лопаток турбоколеса.

Так как оно жестко соединена осью с лопастями холодной части, они начинают вращаться с такой же скоростью. Чем выше их скорость, тем больше воздуха всасывается с улицы. Воздух сжимается и с избыточным давлением поступает через интеркулер во впускной коллектор.

Значит, чем сильнее вы нажимаете на педаль газа, тем выше обороты двигателя, и выше обороты турбины. А значит, больше давление воздуха на впуске.

Видео, принцип работы турбины в машине простыми словами:

Поэтому, на низких оборотах мотора, турбина почти не работает. Если резко нажать на газ, то возникает эффект «турбоямы» – это краткосрочное явление, во время которого раскручивается турбонагнетатель и выходит на свою номинальную производительность. В это время наблюдается небольшой провал в тяге, мотор рычит, но не едет.

На определенных режимах работы силового агрегата, нужно уменьшить степень наддува. Для этого в работу вступает клапан вестгейта. Он приоткрывается, часть выхлопных газов проходят мимо лопастей турбины прямо в выпускную систему. Обороты снижаются, и снижается производительность турбокомпрессора. Значит, уменьшается количество всасываемого воздуха и его давление на впуске.

Этот клапан называют еще байпасом. Потому что газы проходят байпасом, мимо крыльчатки турбины.

Неисправности турбонаддува

Во время работы турбины подшипник нагревается от температуры выхлопных газов. В старых типах для его охлаждения используют моторное масло, которое подается из системы смазки двигателя. В современных турбокомпрессорах применяется охлаждающая жидкость из системы охлаждения силового агрегата.

Поэтому, снижение давления масла в системе или уменьшение его количества сокращает срок службы подшипника, а значит и турбины. Неполадки в системе охлаждения двигателя также ведет к перегреву подшипника и его разрушению. Из-за этого появляется люфт на оси лопаток.

Как следствие:

1. Через разрушенный подшипник масло попадает во впускной коллектор.
2. Лопатки турбины, разрушаясь, могут цепляться за стенки улитки. Их может заклинить.
3. Уменьшается производительность и степень наддува. Появляется ошибка «недодув» или низкая производительность турбокомпрессора .
4. Закисание клапана актуатора приводит к передуву или недодуву турбины, в зависимости от того, в каком состоянии он заклинил. Если в открытом положение – недодув, если в закрытом – передув.

Всё это приведет к замене дорогостоящего агрегата. Хотя его уже научились ремонтировать. В продаже появились отдельные компоненты турбонагнетателя, которые можно менять по отдельности.

Тягу перепускного клапана нужно периодически расхаживать и смазывать жаростойкой смазкой. Это продлит срок службы калитки вестгейта. В запущенных случаях ломается шток, здесь только полная замена актуатора.

Какие бывают турбонагнетатели

Это мы рассматривали сингл-скролл турбины классического типа. Теперь вкратце поговорим о других видах турбонагнетателях в автомобиле. В чём их преимущество и зачем заморачивались инженеры.

Твинскрольные

Это турбины для машин, которые имеют в горячей части два отдельных канала для подачи отработанных газов от двигателя. Кроме этого, они имеют разный угол наклона лопаток по длине крыльчатки, омываемой выхлопными газами.

При определенных режимах работы мотора, часть выхлопа попадает через первый канал на лопатки с одним изгибом. В других режимах, газы проходят через второй канал на лопатки с большим углом изгиба.

Таким образом повышается эффективность турбина на разных режимах работы двигателя. Такой конструкцией производители хотели избавиться от эффекта турбоямы, вместо установки битурбо систем на один мотор.

С изменяемой геометрией

Это турбокомпрессор, у которого изменяется геометрия горячей части. В простых агрегатах устанавливается одна заслонка на входе в улитку. В современных автомобильных турбонагнетателях внутри улитки ставят несколько заслонок вокруг крыльчатки. Их поворот направляет поток газов на лопасти турбоколеса.

Изменение сечения горячей части турбины увеличивает её производительность на низких оборотах двигателя. Это снижает эффект турбоямы или турболага. Механизмом изменения геометрии, то есть, этими заслонками, управляет ЭБУ двигателя.

Вопрос, конечно, интере-е-есный…

Турбокомпрессор – агрегат непростой, замысловатый. У людей, не знакомых с турботехникой, но любопытных, он и все, что с ним связано, вызывает массу вопросов. И сами вопросы, и ответы на них бывают весьма интересные.

Вот такой вопрос: Турбину иногда называют как-то чудно – тур-бо-ком-прес-сор. Почему так? Вопрос, конечно, интере-е-есный…

Корректный ответ на этот вопрос на первый взгляд может показаться абсурдным. И все же: агрегат, который в просторечии принято называть турбиной, – вовсе не турбина. По сути, это – компрессор, т.е. устройство, предназначенное для нагнетания воздуха под давлением.

Строгое техническое наименование этого агрегата – турбокомпрессор (англоязычный вариант – turbocharger, что можно перевести как турбонагнетатель).

«Турбокомпрессор» – сложносоставное слово, главная часть которого, в соответствии с правилами русского языка, именно «компрессор». А приставка «турбо» – всего лишь указание на некоторую особенность основной части. Возвращаясь от лингвистики к технике: в данном случае приставка «турбо» означает, что компрессор приводится в действие турбиной. Вот такая у него, компрессора, особенность. Действительно, как и сам термин, турбокомпрессор – агрегат «сложносоставной». Он состоит из компрессора и турбины, соединенных общим валом. Вал вращается в подшипниках, размещенных в центральном корпусе турбокомпрессора.

Это – вовсе не турбина. По техническим канонам это – компрессор 1. Компрессор, холодная часть, «толкай». 2. Турбина, горячая часть, «тяни». 3. Центральный корпус подшипников. Все вместе – тур-бо-ком-прес-сор

Компрессор выполняет основную функцию, возложенную на турбоагрегат. Он нагнетает в двигатель воздух под избыточным давлением, что увеличивает массу поступающего в двигатель окислителя при «прочих равных»: рабочем объеме, диапазоне частот вращения и т. д. Необходимую для этого энергию вырабатывает турбина. Она приводит компрессор во вращение, питаясь дармовыми отработавшими газами, истекающими из двигателя.

Говоря образно, турбокомпрессор – это сказочное существо «тяни-толкай». Турбина – «тяни», компрессор – «толкай». Турбина – горячая часть, компрессор – холодная. Турбина – центростремительная, компрессор – центробежный. В этом они противоположны. А объединяет их (помимо общего вала) принадлежность к одному виду – лопаточным машинам.

Такова «техническая правда» о турбине.

Поэтому расхожая фраза «турбина не дует», которую частенько приходится слышать от расстроенного автовладельца или технически не подкованного сервисмена, имеет хоть какой-то смысл только на сленге, когда словом «турбина» называют весь турбоагрегат. То же словосочетание в техническом контексте бессмысленно. Турбина, являющаяся не более чем приводом компрессора, «дуть» и не должна. Ее миссия – «крутить», в свою очередь, раскручиваясь отработавшими газами.

Язык не поворачивается назвать «это» турбиной. Очевидно, что это «регулируемая двухступенчатая система турбонаддува» BorgWarner для 3-литрового, 265-сильного турбодизеля BMW M57

«Турботехнической правды» ради также стоит уточнить, что турбированные двигатели оснащаются не турбинами (и даже не турбокомпрессорами), а системами турбонаддува. В состав системы вместе с одним и даже несколькими турбокомпрессорами входят соединительные магистрали, патрубки и «шланчики», а также датчики и устройства регулирования.

Вот теперь, продемонстрировав свою техническую грамотность, можно со спокойной совестью вернуться на общепринятый «язык масс».

У меня вопрос: сколько стоит турбина для …? Сколько-сколько? А чего так дорого?

Вопрос, конечно, интере-е-есный…

Его, как правило, задают потенциальные покупатели, которые находятся на начальной стадии процесса поиска жизненно необходимой запчасти. Им приходится растолковывать следующее.

Турбина BorgWarner с технологией VTG и электронным актюатором для 3-литровых турбодизелей VAG. Она просто обязана быть недешевой Турбопроизводство – это суперсовременные методы изготовления и контроля

Розничная цена импортных турбокомпрессоров на независимом (от официальных автодилеров) рынке автозапчастей формируется так же, как и других автомобильных агрегатов зарубежного производства. Отправная точка – отпускная цена завода-изготовителя. По пути от заводского склада (чаще – европейского) до магазина она увеличивается на величину таможенной пошлины, стоимость логистики, наценку оптового поставщика и розничного продавца. Конкуренция на независимом «турбомаркете» ограничивает аппетит оптовиков и ритейлеров, так что отпускная цена турбины в итоге возрастает в среднем на 30–40%. Кстати, не так плохо для конечного потребителя – в европейских магазинах те же турбины стоят намного дороже, хотя их не везут за тридевять земель и не растаможивают. Так почему все равно дорого?

Причина – высокая отпускная цена завода-изготовителя, обусловленная следующими, небезосновательными соображениями. Современный турбокомпрессор – высокотехнологичное изделие. В его производстве применяются уникальные дорогостоящие материалы и технологические процессы: жаропрочные высоколегированные сплавы, металлокерамика, высокоточное литье, прецизионная механическая обработка, сварка трением и электронным лучом, многостадийная балансировка деталей, автоматизированная сборка, калибровка и т. д. Современный турбокомпрессор – продукт инновационный. Сумасшедшие темпы развития турботехнологий были бы невозможны без колоссальных вложений в НИОКР и производство. Мировые лидеры турбостроения ежегодно открывают новые заводы и исследовательские центры. По законам бизнеса, вложения должны быть, безусловно, возвращены. Это также учитывается заводом при расчете отпускной цены изделия. Она составляет подавляющую часть (до 70%) стоимости турбины, оплачиваемой российским покупателем.

Стоимость конкретной модели турбины зависит от многих факторов: конструктивной сложности и степени новизны изделия, его востребованности на рынке, класса автомобиля, для которого она предназначена, а также статуса дистрибьютора и объема закупки.

Так, новые турбины с изменяемой геомет­рией и электронным управлением дороже. Те, что конструктивно проще, например, турбины с байпасным регулированием – дешевле. Это правило нарушается, если мотор давно снят с производства, спрос на турбину на афтемаркете невелик, а потому она выпускается редко и малыми партиями.

На афтемаркет поступают оригинальные турбины, но в заводской упаковке и с заводской биркой

При небольших объемах производства, тем не менее, сопряженных с ремонтом технологической оснастки и переналадкой сборочных линий, стоимость устаревших изделий может оказаться сравнимой с ценой новых турбин и даже превысить их. Так что покупка нового заводского турбоагрегата для 15–20-летней машины, как правило, оказывается экономически нецелесообразной. В таких случаях выгоднее поискать восстановленную турбину или отремонтировать неисправную.

Розничные цены на новые оригинальные турбины на афтемаркете следуют тем же закономерностям, что и заводские. Они незначительно, в пределах нескольких процентов, колеб­лются от продавца к продавцу. Если же кто-то предлагает «новую» турбину по «спеццене», на десятки процентов дешевле среднерыночной, – значит, продавец торгует себе в убыток. Такое бывает?

Подскажите, сколько стоит турбина для …? Сколько-сколько? А чего так дешево?

Если с этого «гарретта» срезать заводскую бирку, откроется маркировка, указывающая, что это оригинальная деталь двигателя Mercedes OM642

Вопрос, конечно, интере-е-есный…

Такой вопрос задают покупатели, которые уже прочесали изрядную долю рынка запчастей и убедились, что турбокомпрессор – дорогой агрегат. «Дорогой», так же как и «дешевый», – понятие относительное. Относительно чего турбина на афтемаркете кажется подозрительно дешевой? Выясняется, что она такова в сравнении с «оригинальным» агрегатом, который предлагают официальные дилеры автопроизводителей через свои торговые и сервисные подразделения. Действительно, стоимость турбины на независимом рынке и у «зависимых» официалов отличается … в разы! У покупателя, морально не готового к такой ситуации, закономерно возникает вопрос, обозначенный выше. «Это что, не оригинал? Китай?», – переживает он, настроенный заверениями автодилера, что единственно возможный, «самый оригинальный оригинал» можно купить только у него. Так ли это?

Хороший повод для того, чтобы напомнить, как устроено мировое турбопроизводство. Начнем с главного: никаких оригинальных «мерседесовских», «фольксвагеновских», «фор­довских» и прочих «…ских» турбин в природе не существует. Только два автоконцерна имеют в своем составе специализированные предприятия по производству турбокомпрессоров. Это японские Toyota и Mitsubishi. Но даже они не все моторы оснащают «своими» турбинами, иногда в силу разных причин отдавая предпочтение продукции сторонних производителей. Все остальные автозаводы без вариантов получают на сборочные конвейеры турбины от мировых «грандов» турбостроения. Кто они, эти неизвестные рядовому потребителю производители турбокомпрессоров?

Человек, не сведущий в тонкостях турборынка, решит, что это агрегат производства Volvo. Отнюдь: эту турбину на конвейер и афтемаркет поставляет MHI

Это два транснациональных гиганта турбо­отрасли (и два давнишних конкурента): Honeywell Turbo Technologies (HTT), выпускающий турбины под торговой маркой Garrett, и BorgWarner Turbo Systems (BWTS) с легковой линейкой KKK (3К) и грузовыми турбинами Schwitzer. Это два японских предприятия: Mitsubishi Heavy Industries (MHI) с европейским отделением Mitsubishi Equipment Europe (MEE) и подразделение японского аэрокосмического концерна Ishikawajima Heavy Industries (IHI), маркирующие свою продукцию MHI и IHI соответственно. Наконец, это производитель турбокомпрессоров марки Holset для коммерческой автотехники, недавно ставший частью известного разработчика дизелей Cummins и получивший новое название Cummins Turbo Technologies (CTT). Пожалуй, это все, кто удовлетворяют потребности автозаводов в турбокомпрессорах.

Выиграв тендер на разработку и поставку турбины автозаводу X для двигателя Y, один из перечисленных выше производителей получает приз – возможность плановой поставки большого количества продукции на первый монтаж, т.е. на конвейер и для нужд официального послепродажного сервиса. В течение 2–3 лет (в зависимости от договоренности) с начала выпуска мотора автозавод получает «эксклюзив» на новую турбину. В это время ее можно найти только у автодилеров. По прошествии этого срока производитель турбины получает право самостоятельно продавать новое изделие на независимом афтемаркете через свою дистрибьюторскую сеть.

Продукция, которую турбопроизводители поставляют на рынок запчастей, – это такие же турбины, что отгружаются автозаводам. Они выходят с тех же производственных линий, одних и тех же предприятий. В то же время у них есть отличия в маркировке и упаковке. На независимый турбомаркет агрегаты поступают в упаковке завода-изготовителя и под заводскими номерами. Использовать фирменные эмблемы и ОЕ номера деталей по своему усмотрению производители турбин обычно не имеют права – это собственность автозаводов. Поэтому зачастую с турбин, предназначенных для афтемаркета, эти «запретные знаки» удаляют (довольно грубо, абразивной обработкой) или маскируют – наклеивают новую бирку поверх оригинальной гравировки. Обычно это и вызывает сомнения у покупателя: турбина-то внешне абсолютно идентична той, что стояла на двигателе… А где же мерседесовская звезда? А почему на шильдике нет номера А6420905980?

Выходит, одни и те же агрегаты доходят до конечного покупателя двумя маршрутами: через многоуровневую официальную дилерскую сеть производителя автомобиля и напрямую, от завода-изготовителя. Почему коробка с эмблемой автозавода и ОЕ-номер на бирке увеличивают цену турбины в два-три раза – судить не нам. Но если покупатель готов платить за них – это его право. Надо отдать должное коммерческой хватке автодилеров: попробуйте-ка продать вещь втридорога, когда она же за углом продается в разы дешевле! И ведь продают! Часть клиентов просто не осведомлена о существовании независимого турборынка, кого-то убеждают авторитетными рассуждениями про «оригинальный оригинал», а к несговорчивым, купившим турбину «на стороне», нередко применяют особые методы убеждения. Будет повод – расскажем и про них.

«Самый оригинальный оригинал» для моторов Mercedes OM646 (Vito, Viano 2,2 CDI) делает японская IHI Если бы Perkins был против размещения своего логотипа на продукции для независимого афтемаркета, его бы удалили с этой оригинальной турбины на заводе Honeywell

Завершим тем, с чего начали: оригинальных «мерседесовских», «фольксвагеновских», «фордовских» и прочих «…ских» турбин в природе не существует. Есть только оригинальные «гарреты», «ка-ка-ка-шки», «швицеры», «эм-эйч-ай»… Ничего необычного: точно так же нет, например, генераторов BMW или оптики Opel, но есть генераторы Bosch и фары Hella. И никому не придет в голову подозревать в неоригинальности автоматы ZF. Даже если на алюминиевой улитке турбокомпрессора красуется отлитая эмблема Ford, это всего лишь значит, что этот уважаемый автопроизводитель заказал у концерна Honeywell турбину Garrett с таким декором.

Вот такой вопрос: первая турбина на моем автомобиле прошла XXL километров. После замены вторая пробежала всего X километров. В чем причина? Турбина «не алё»?

Вопрос, конечно, интере-е-есный…

Ответ на него можно начать вот с чего. Если после сервисной замены турбина продержалась на двигателе Х километров, считайте, что вам повезло. Нередко случается, что после замены турбины машина не успевает съехать с подъемника, как турбину вновь нужно менять. Такие случаи порождают у сервисников и их клиентов предубеждение в низком качестве купленной ими запчасти. Возникают слухи о каких-то особо оригинальных турбинах, которые по ресурсу значительно превосходят агрегаты, продающиеся на афтемаркете. Такую поставил – и гоняй-не грусти следующие XXL километров! На деле проблема чаще всего не в турбине.

С этим воздушным фильтром турбокомпрессор обречен на повышенный вынос масла во впускную систему двигателя

Сами производители турбин о ресурсе своей продукции говорят так. Срок службы турбокомпрессора сравним с ресурсом двигателя… И далее – важное уточнение: …если параметры систем двигателя соответствуют заводским спецификациям! Трудно не согласиться с этим, если вспомнить, что турбокомпрессор – единственный агрегат двигателя, который тесно взаимодействует практически со всеми системами двигателя: впуска, смазки, охлаждения, дозирования топлива, вентиляции картера, рециркуляции и выпуска отработавших газов. К тому же это наиболее высоконагруженный агрегат двигателя, он работает на режимах, близких к предельно допустимым. Поэтому любой незначительный сбой в работе систем двигателя как минимум сокращает его ресурс, а существенное отклонение параметров может и вовсе привести к быстрому аварийному отказу. Недаром турбокомпрессор называют индикатором состояния двигателя. Если в моторе что-то не в порядке – турбина первой «просигналит» об этом.

Что происходит с системами двигателя по мере его эксплуатации – вопрос риторический. Конечно, они деградируют, их работоспособность объективно ухудшается, что однозначно отражается на ресурсе турбокомпрессора. Износился масляный насос – сократилась подача масла к турбине – узел подшипников время от времени работает в режиме полусухого трения. Разладилась система топливоподачи – увеличилась температура отработавших газов – детали турбины испытывают термическую перегрузку. Снизилась пропускная способность катализатора или сажевого фильтра – возросло давление в турбине – ротор подвергается чрезмерной осевой нагрузке. В любом из этих (и десятках аналогичных) случаев ни одна турбина не протянет заветные XXL километров. Именно поэтому процедура замены турбины предусматривает диагностику систем двигателя. Не проверив их и не устранив хотя бы наиболее критические неисправности, нечего и думать о продолжительном ресурсе турбины.

Такое состояние систем впуска и рециркуляции – обычное дело. Тут и до беды недалеко

Вопрос о причине отказа предыдущей турбины практически у каждого покупателя вызывает неподдельное удивление: «Какая причина? Время ее пришло!». Полная фигня! Турбина – не расходная деталь, ее сервисная замена планами ТО автомобиля не предусмотрена. Значит, отказ турбины – это не норма, а отклонение от нее, авария, спровоцированная какой-то причиной или причинами. В двигателе что-то разладилось настолько, что и без того тяжкая жизнь турбины стала просто невыносимой. Понятно, что бездумная замена неисправной турбины на новую – устранение следствия, что не решает саму проблему. Поэтому рекомендации по замене агрегата у каждого турбопроизводителя начинаются с одной и той же фразы: «Прежде чем менять вышедшую из строя турбину, нужно обязательно выяснить и устранить причину ее поломки. Иначе новую турбину вскоре постигнет та же участь».

Устройство и принцип работы турбины

Турбина (турбокомпрессор) стала определяющим агрегатом в деле увеличения мощности моторов.

Что такое турбина и для чего она нужна?

Турбина — устройство в автомобиле, которое направлено на увеличение давления во впускном коллекторе автомобиля для того, чтобы обеспечить большее поступление воздуха, а значит и кислорода, в камеру сгорания.
Главное назначение турбины – с ее помощью можно значительно увеличить мощность автомобиля. При увеличении давления во впускном коллекторе на 1 атмосферу в камеру сгорания попадет в два раза больше кислорода, а значит от небольшого турбового двигателя можно ожидать мощности как от атмосферника с объемом в два раза больше — грубая теоретическая арифметика не лишенная смысла…

Принцип работы турбокомпрессора

Принцип работы турбины несложен: горячие выхлопные газы через выпускной коллектор поступают в горячую часть турбины, проходят через крыльчатку горячей части приводя ее и вал на который она крепится в движение. На этом же вале закреплена крыльчатка самого компрессора в холодной части турбины, эта крыльчатка при вращении создает давление во впускном тракте и впускном коллекторе, что обеспечивает большее поступление воздуха в камеру сгорания.

Устройство турбины

Турбина состоит из двух улиток — улитки компрессора, через которую всасывается воздух и нагнетается во впускной коллектор, и улитки горячей части, через которую проходят выхлопные газы вращая колесо турбины и выходят в выхлопной тракт. Из крыльчатки компрессора и крыльчатки горячей части. Из шарикоподшипникового картриджа. Из корпуса, который соединяет обе улитки, держит подшипники, так же в корпусе находится охлаждающий контур.

В процессе работы турбина подвергается очень большим термодинамическим нагрузкам. В горячую часть турбины попадают выхлопные газы очень большой температуры 800-9000 °С, поэтому корпус турбины изготавливают из чугуна особого состава и особого способа отливки.

Частота вращения вала турбины достигает 200 000 об/мин и более, поэтому изготовление деталей требует большой точности, подгонки и балансировки. Помимо этого в турбине высокие требования к используемым смазочным материалам. В некоторых турбинах система смазки служит так е системой охлаждения подшипниковой части турбины.

Система охлаждения турбин

Система охлаждения турбин двигателя служит для улучшения теплоотдачи частей и механизмов турбокомпрессора.
Существует два самых распространенных способа охлаждения деталей турбокомпрессора — охлаждение маслом, которое используется для смазки подшипников и комплексное охлаждение маслом и антифризом из общей системы охлаждения автомобилем.

Оба способа имеют ряд преимуществ и недостатков.
Охлаждение маслом.
Преимущества:

• Более простая конструкция
• Меньшая стоимость изготовления самой турбины

• Меньшая эффективность охлаждения по сравнению с комплексной системой
• Более требовательна к качеству масла и к его более частой смене
• Более требовательна к контролю за температурным режимом масла

Изначально, большинство серийных двигателей с турбонаддувом оснащались тубинами с масляным охлаждением. При прохождении через шарикоподшипниковую часть масло сильно нагревалось. Тогда, когда температура выходила за пределы нормального рабочего температурного диапазона, масло начинало закипать, коксоваться забивая каналы и ограничивая доступ смазки и охлаждения к подшипникам. Это приводило к быстрому износу, заклиниванию и дорогостоящему ремонту. Причин у неполадки могло быть несколько — некачественной масло или не рекомендованное для данного типа двигателей, превышение рекомендованы сроков замены масла, неисправности в системе смазки двигателя и пр.

Комплексное охлаждение маслом и антифризом
Преимущества:

• Большая эффективность охлаждения

• Более сложная конструкция самого турбокомпрессора, как следствие большая стоимость

При охлаждении турбины маслом и антифризом повышается эффективность и такие проблемы, как закипание и коксование масла, практически не встречаются. Но данная систем охлаждения имеет более сложную конструкцию т.к. имеет раздельные масляный контур и контур охлаждающей жидкости. Масло как и прежде служит для смазки подшипников и для охлаждения, а антифриз, который используется из общей системы охлаждения двигателя, не дает перегреться и закипеть маслу. Как следствие увеличивается стоимость самой конструкции.

При работе турбины воздух под действием компрессора сжимается и, как следствие, очень сильно греется, что приводит к нежелательным последствиям т.к. чем выше температура воздуха, тем меньшее количество кислорода в нем содержится — тем меньше эффективность наддува. С этим явлением призван бороться интеркулер — промежуточный охладитель воздуха.

Нагрев воздуха не единственная проблема, с которой пытаются справиться конструкторы при проектировании турбодвигателя. Насущной проблемой является инерционность турбины (лаг турбины, турбояма) — задержка в реакции мотора на открытие дроссельной заслонки. Турбина выходит на пик своих возможностей при определенных оборотах двигателя, отсюда и появилось мнение, что турбина включается при определенных оборотах. Турбина в большинстве случаев, работает всегда, а значение оборотов при которых ее эффективность максимальная у каждого двигателя и у каждой турбины разные. В погоне за решением этой проблемы появились системы их двух турбин (твин-турбо, twin-turbo, би-турбо, biturbo), твин-скрол (twin-scroll) турбины, турбины с изменяемой геометрией сопла и изменяемым углом наклона крыльчатки (VGT), изменяются материалы частей чтобы повысить прочность и увеличить вес (керамические лопатки крыльчатки) и пр.

Twin-turbo (твин-турбо) — система при которой используются две одинаковые турбины. Задача данной системы повысить объем или давление поступающего воздуха. Используется когда необходима максимальная мощность на высоких оборотах, например в драг-рейсинге. Такая система реализована на легендарном японском автомобиле Nissan Skyline Gt-R с двигателем rb26-dett.

Такая же система, но с маленькими одинаковыми турбинами позволяет добиться прироста мощности при небольших оборотах и держать наддув постоянным до красной зоны.

Biturbo (би-турбо) — систем а с двумя разными турбинами, которые соединены последовательно. Система устроена таким образом, что при низких оборотах работает маленькая турбина, обеспечивая хороший отклик на малых оборотах, при определенных условиях «включается» большая турбина и обеспечивает наддув при высоких оборотах. Это позволяет автомобилю уменьшить лаг двигателя и получить хороший прирост производительности во всем диапазоне работы двигателя.

Такая систем турбонаддува используется в автомобилях BMW biturbo.

Турбина с изменяемой геометрией (VGT) — система при которой лопатки крыльчатки в горячей части могут изменять угол наклона к потоку выхлопных газов.

При малых оборотах двигателя пропускное сечение прохода выхлопных газов становится более узкое и «выхлоп» проходит с большей скоростью и большей отдачей энергии. Когда обороты двигателя увеличиваются проходное сечение становится шире и и уменьшается сопротивление движению выхлопных газов, но при этом достаточно энергии для создания необходимого давления компрессором. Чаще систему VGT используют на дизельных двигателях т.к. там меньше тепловые нагрузки, меньшая скорость вращения ротора турбины.

Twin-scroll ( двойная улитка) — система состоит из двойного контура движения выхлопных газов энергия которых вращает один ротор с крыльчаткой и компрессором. При этом существует два типа реализации когда выхлопные газы идут по обоим контурам сразу, при этом система работает как twin-turbo в одном корпусе — выхлопные газы делятся на два потока каждый из которых идут в свой контур горячей части раскручивая ротор турбины. Второй тип реализации работает на подобии системы biturbo — горячая часть имеет два контура с разной геометрией, при низких оборотах выхлопные газы направляются по меньшему контуру, который увеличивает скорость и энергию прохождения за счет небольшого диаметра, при повышении оборотов двигателя выхлопные газы двигаются по контуру диаметр которого больше — тем самым сохраняется рабочее давление в системе впуска и не создается запора на пути выхлопных газов. Это все регулируется клапанами, которые переключают поток из одного контура в другой.