Как работает турбина на дизельном двигателе

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).

Интеркулер – это не что иное, как радиатор для охлаждения наддувочного воздуха. Кроме снижения детонации, он снижает температуру воздуха ещё и для того, чтоб не снижать его плотность. А это неизбежно во время процесса нагрева от сжатия, и от этого эффективность всей системы в значительной степени падает.

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.

Принцип работы турбины на дизельном двигателе

В свое время силовые двигатели, усиленные турбиной, встречались только на грузовых машинах, да и то не на всех. Несколько позже стали турбировать и легковые автомобили, предназначенные для гонок. В наше время моторы, оснащенные турбинами, отлично ведут себя на обычном легковом транспорте. Линейный ряд этих двигателей развивается так быстро, что простым моторам внутреннего сгорания уже ничего не осталось, чтобы уступить первенство усовершенствованным аналогам.

Принципиальная схема
Турбина с изменяемой геометрией
Устройство с интеркулером
Как определяется неисправность
Порядок проверки

Принципиальная схема

Чтобы понимать, как работает турбина, следует ознакомиться с порядком функционирования ДВС.

Как правило, большинство моторов четырехтактные поршневые, их работа всегда под контролем клапанов впускной и выпускной групп. Один цикл работы составляет четыре такта, которые проходят за два полных оборота коленчатого вала.Принцип работы турбины на дизельном двигателе довольно прост и состоит из следующих действий:

впуск – поршень идет вниз, давая возможность проникать воздуху через впускной клапан;
компрессия – в этот момент горючая смесь сжимается;
процесс расширения – горючее входит под давлением и загорается;
выпуск – поршень идет вверх, выпуская газ.

Турбина с изменяемой геометрией

Работа турбонаддува может сопровождаться некоторыми сложностями:происходит задержка усиления мощности («турбояма») в момент резкого давления на газ;выход из такого состояния меняется резким повышением воздействия наддува («турбоподхват»).Возникновение первого явления возможно из-за инерционности системы. Чтобы решить такую проблему, применяют:

турбинное устройство с изменяемой геометрией;
используют пару параллельных либо последовательных компрессорных устройств;
наддув комбинированного вида.

Турбина с изменяемой геометрией:1 — направляющие лопатки; 2 — кольцо; 3 — рычаг; 4 — тяга вакуумного привода; 5 — турбинное колесо.

Устройство с интеркулером

При сжатии воздух изменяет не только плотность, но и температурный режим. Для сгорания топлива поступающий кислород довольно полезен, но выпускаемый горячий воздух оказывает разрушительное действие на всю систему. По этой причине используют интеркулер, своего рода радиатор, с помощью которого понижается температура. За счёт этого мощность двигателя увеличивается на 15-20 лошадиных сил.Смысл работы устройства заключается в том, что горячие воздушные массы подвергаются охлаждению. Может быть воздушным и жидкостным.

Как определяется неисправность

Причины отказа работы турбины бывают разные, но к основным признакам этого можно отнести:значительно понижается динамика, автомобиль «не тянет»;

двигатель долго не выходит на нужную мощность;
из трубы для выхлопных газов появился дымок голубого либо сизого оттенка;
ощущается запах сгоревшего масла;
мотор при работе «кушает» масло;
под капотной крышкой появляются странные звуки;
на холостом ходу движок работает нестабильно.

Порядок проверки

Если нет возможности проверить турбинное устройство в автосервисе, то это можно сделать самостоятельно, не покидая гаража.Для начала проводится визуальный осмотр устройства. Изучается цвет дыма. Беловатые выхлопы говорят о том, что воздуховоды забиты, либо сливной масляный провод засорен. Если дым напоминает копоть, то подтверждает утечку масла. Сизость дымка говорит о том, что течет масло. После попадания в камеру, оно придает дыму сизоватость. Чтобы убедиться в своей правоте, необходимо снять фильтр очистки воздуха. Если он чист – причину искать следует в другом.

Теперь двигатель следует прогреть и приступить к очередному проверочному этапу, и пригласить на помощь напарника. Ищем патрубок, идущий от турбины к впускному коллектору. Пережав патрубок, даем команду давить на газ несколько секунд. По второй команде педаль резко отпускается. Рука, лежащая на патрубке, будет ощущать, как он расширяется. Это свидетельствует о том, что воздушное давление велико. Если такого не происходит – турбина вышла из строя.Проще всего, если есть датчик давления турбины. По его работе быстро определяется пригодность турбинного устройства.Необходимо помнить, что турбина считается довольно чувствительной частью мотора, и способна утратить работоспособность по малейшим причинам. Но продлить ее срок эксплуатации возможно, организовав за двигателем минимальный уход.

Детально разбираемся в турбокомпрессоре

Диагностика невозможна без подробного изучения детали. В этом нам поможет снятие турбинного патрубка.

Затем проводим визуальный осмотр крыльев кулера, внутреннего состояния коллектора. При отсутствии масла, очевидной чистоты — деталь исправная. Соответственно, свидетельствовать о поломке будет обратная картина. Большая выработка турбины способствует просачиванию масляных паров во впускной коллектор. Вследствие чего кожух, кулер окажутся промасленными. Ввиду того, что масло все также прорывается во впускной коллектор, можно наблюдать сильное задымление из выхлопов.

Следующими действиями будет легкое пошатывание самого кулера. Присутствие незначительного люфта, примерно в один-два миллиметра — явление допустимое. Вот, если он уж слишком гуляет, такая покупка не принесет ничего хорошего. Если внимательно посмотреть на поверхность стенок турбины и заприметив разрезы от лопастей, значит турбина в плохом состоянии.

Все эти способы диагностики позволяют процентов на девяносто правильно оценить работоспособность турбины. В принципе элемент не сложный, чтобы доставлять существенных проблем. Основным нерабочим моментом может выступать значительная выработка, а именно — плавающий подшипник. В итоге увеличение давления, также и масла будет поедать немерено.

Еще один момент, касающийся изменения геометрии турбины. С помощью дилерского сканера, если таковой имеется, нужно проверить функциональность исполнительных устройств, которые за это отвечают. Для сравнения можно использовать диаграммы изменения силы наддува в диагностируемом автомобиле и любом образце. Если это невозможно, тогда обычным газованием. Из этого будет видно, как движется тяга.

Реже случается заклинивание кулера. Рекомендуется в обязательном порядке проверять лично работоспособность перед покупкой автомобиля. Что в свою очередь избавит от ремонта в дальнейшем и порадует удачным приобретением не один год.

Устройство турбины дизельного двигателя – что может ей угрожать?

Ни для кого не секрет, что составляющей частью горючей смеси является воздух, и для вытягивания литра топлива требуется как минимум 15 литров воздуха. Так что даже слабые турбированные движки способны работать так же, как и более мощные агрегаты, но не оснащенные данной системой. Правда, есть и некоторые недостатки, ведь устройство турбины дизельного двигателя довольно сложное, и иногда ее стоимость составляет около 10 % стоимости всей машины, так что в случае ее поломки владельцу придется изрядно потратиться.

Самыми распространенными проблемами дизельных турбин являются: недостаточное количество масла либо же загрязнение самой конструкции. В этом случае возникает повышенное трение, приводящее к износу и, как следствие, нарушениям работы всей системы. Также довольно часто на лопатки турбинного или компрессорного колеса попадают посторонние предметы: отломавшиеся части поршней ДВС, клапанов, воздушных фильтров, а также болты, шайбы, гайки и т.д.

Кроме того, не самым благоприятным образом отражаются и неисправности в системе смазки и, конечно же, повышенная температура отработанных газов. Еще одна причина, по которой турбокомпрессоры выходят из строя – неисправность соплового аппарата (заклинивание). Это может быть вызвано выходом из строя электрического или вакуумного привода, отвечающего за изменение геометрии, или попаданием в этот механизм масла и сажи из движка.

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.

Принцип работы турбокомпрессора

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

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

Особенности эксплуатации турбин

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.

Немного о турбокомпрессоре

Турбокомпрессор или его ещё называют «газотурбинный нагнетатель»

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

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

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

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

Arti73rus › Блог › Устройство и принцип работы турбокомпрессора

Устройство и принцип работы турбокомпрессораТурбокомпрессор (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

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 от0,4 до2,2 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.

Источник

Как продлить жизнь турбине: рекомендации для автовладельцев

Чтобы продлить срок службы турбины, специалисты рекомендуют следовать следующим правилам:

• Регулярно обслуживать автомобиль и менять фильтры. Для легковых автомобилей рекомендуется менять масло и фильтры каждые 7–10 тыс. км пробега.• Использовать качественные расходники и заливать масло согласно допускам автопроизводителя.• Следить за состоянием двигателя: топливной системы (чтобы форсунки не «переливали»), системы ВКГ (вентиляции картерных газов), выхлопной системы (забитый катализатор создает излишнюю нагрузку на турбину).• После активной езды рекомендуется дать мотору поработать какое-то время на холостых оборотах.

В отношении последнего пункта авторам «Движка» доводилось слышать разные мнения. Многие представители дилерских центров говорили, например, что для большинства современных машин это уже не актуально.

Специалисты же «БР Турбо» уточняют, что в процессе езды выпускной коллектор и турбина могут раскаляться до 300–500 °C. Пока масло циркулирует, оно охлаждает турбину и не застаивается в масляных каналах. Когда водитель глушит мотор, масло перестает циркулировать и из-за высокой температуры может начать выгорать и закоксовывать масляные каналы, что снижает уровень смазки турбины и влечет за собой ее весьма скорый износ. Даже три минуты простоя на холостых оборотах позволят снизить температуру в турбине и избежать закоксовывания масляных каналов.

Конструкция турбокомпрессора Garrett GTD22 VNT, предназначенного для дизельных двигателей

На работу турбомотора (и на турбину в отдельности), по словам специалистов «БР Турбо», влияет также качество топлива. Из-за плохого горючего в выхлопной системе и, соответственно, в корпусе турбины и на роторе образуются отложения, которые затрудняют поток газов, увеличивают дисбаланс турбины и снижают ее ресурс. Кроме того, из-за некачественного топлива может быть нарушен температурный режим выхлопных газов, в том числе плохое горючее может не успевать догореть в цилиндрах и в таком случае продолжает гореть уже в турбине.

Весьма чувствительна турбина и к частой езде в режиме «педаль в пол», так как в этом случае она работает на пределе возможностей под максимальной нагрузкой. А вот частые пробки и заторы для турбин не столь критичны: в таких режимах обороты двигателя в основном холостые, а турбина вращается с минимальной скоростью, без нагрузки и перегрева. При исправном масляном насосе на холостых оборотах создается необходимое давление масла, и ресурс турбины не тратится.

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.

Устройство турбины дизельного двигателя

Необходимые дополнения в состав системы турбонаддува: клапаны, интеркулер