Турбонаддув
В турбокомпрессоре используются центробежные насосы. Под действием центробежных сил, вызванных вращением колеса с лопатками, воздух отбрасывается к периферии колеса, а в его центре создается разрежение, что обеспечивает всасывание воздуха. Для эффективной работы турбокомпрессора частота вращения колеса компрессора должна быть очень высокой не менее 50–100 тыс. мин –1 .
При работе ДВС из выпускного трубопровода под давлением выбрасываются продукты сгорания, которые имеют высокую температуру. Поток газов приводит во вращение колесо турбины, которое передается закрепленному на общем вале колесу компрессора.
Для достижения фазы наддува, т. е. момента, когда давление воздуха на впуске превысит атмосферное, необходимо, чтобы была достигнута определенная частота вращения турбины (не менее 60 000 мин –1 ). При малых оборотах двигателя турбокомпрессор работает в дежурном режиме (частота 5 000–10 000 мин –1 ). Необходимо учитывать, что наличие турбины в выпускном тракте создает сопротивление выходу отработавших газов.
Очень важный вопрос — выбор правильного размера турбины для конкретного двигателя. В первых двигателях с турбонаддувом для легковых автомобилей 1970-х гг. использовались готовые конструкции, разработанные, как правило, для дизелей больших грузовых автомобилей. Такие устройства давали хороший результат для увеличения максимальной мощности, но были неэффективными для получения большого крутящего момента в среднем диапазоне частот вращения двигателя, т. е. для получения достаточной приемистости автомобиля. Большие турбины требовали некоторого времени на «раскрутку», когда при небольших нагрузках открывалась дроссельная заслонка, что приводило к задержке нарастания давления наддува. Этот эффект получил название турбоямы.
Схема работы турбокомпрессора с изменяемой геометрией
Большинство современных турбокомпрессоров легковых автомобилей имеют небольшие размеры и высокую частоту вращения. Для того чтобы увеличить диапазон частот вращения двигателя, при которых турбонаддув обеспечивает повышение давления, применяются по два турбокомпрессора на одном двигателе. Один турбокомпрессор работает при низких оборотах, а второй при высоких. В последних поколениях наддувных двигателей стали применяться турбокомпрессоры с переменной геометрией, которые сохраняют высокую скорость газов при малых нагрузках, так что турбина всегда вращается с нужной скоростью. В таких турбокомпрессорах поток направляемых на турбину газов управляется с помощью специальных поворачивающихся заслонок. Одновременный поворот заслонок производится с помощью штока вакуумной камеры. Разрежение в камере регулируется электромагнитным клапаном по сигналу компьютера.
При работе системы турбонаддува происходит сильный нагрев турбины, а компрессор остается сравнительно холодным. Очень важным узлом, определяющим долговечность турбокомпрессора, является узел подшипников вала. Обычно масло для смазки подшипников подается под давлением из системы смазки двигателя. Иногда для повышения работоспособности наддува применяют охлаждение корпуса турбины жидкостью из системы охлаждения двигателя. После продолжительного движения на высокой скорости автомобиля с турбонаддувом турбина может раскрутиться до высоких скоростей (сотни тысяч оборотов в минуту). После остановки двигателя турбокомпрессор останавливается не сразу, а масло уже не поступает к подшипникам. Чтобы не произошло повреждения подшипников, рекомендуется перед выключением двигателя дать ему возможность некоторое время поработать на холостом ходу.
Дизельный двигатель с турбонаддувом
Очень хорошо система турбонаддува работает в дизелях. Отработавшие газы в дизеле холоднее, чем в бензиновых двигателях, что облегчает работу турбокомпрессора, и, кроме того, в дизеле не существует опасности возникновения детонации. Поэтому неслучайно, что турбонаддув устанавливается почти на всех современных дизельных двигателях легковых автомобилей.
В многоцилиндровых двигателях с большим рабочим объемом некоторых грузовых автомобилей отработавшие газы продолжают обладать большой энергией, даже после прохождения турбокомпрессора. Эту энергию можно использовать для дальнейшего повышения мощностных характеристик двигателя, создавая так называемые турбокомпаундные двигатели. В таком двигателе часть энергии отработавших газов используется для раскручивания дополнительной турбины, которая через гидравлическую муфту связана с коленчатым валом. Такая конструкция дает возможность, увеличить крутящий момент на вале двигателя.
Подробнее о турбонаддуве — в главе Турбокомпрессор
Назад
Если Вы обнаружили ошибку или хотите дополнить статью, выделите ту часть текста статьи, которая нуждается в редакции, и нажмите Ctrl+Enter. Далее следуйте простой инструкции.
Как работает турбокомпрессор
Когда разговор заходит о гоночных или мощных спортивных автомобилях, обычно затрагивают тему турбокомпрессоров. Турбокомпрессоры также можно увидеть и на больших дизельных двигателях. Турбина может заметно увеличить мощность двигателя без значительного увеличения массы автомобиля. Благодаря этому несомненному преимуществу турбокомпрессоры стали настолько популярными!
Как работает турбокомпрессор
- Введение
- Турбокомпрессоры и двигатели
- Устройство турбокомпрессора
- Детали турбокомпрессора
- Использование двух турбокомпрессоров и других турбо деталей
- Узнать больше
- Читайте также » Все статьи про работу двигателя
В этой статье мы узнаем, каким образом турбокомпрессор увеличивает мощность двигателя в жестких условиях эксплуатации. Мы также узнаем о том, как регуляторы давления наддува, керамические лопатки турбины и шариковые подшипники улучшают работу турбокомпрессора. Турбокомпрессоры являются своего рода системой наддува. Они сжимают воздух, поступающий в двигатель (читайте статью «Как работает автомобильный двигатель» для описания движения воздуха в обычном двигателе). Преимущество сжатия воздуха состоит в том, что при этом можно впустить больше воздуха в цилиндр, и, соответственно, больше топлива. Таким образом, при каждом взрыве в цилиндрах высвобождается больше энергии. Двигатель с турбонаддувом является более мощным по сравнению с обычным двигателем. Благодаря этому существенно увеличивается удельная мощность двигателя (для получения более подробной информации, рекомендуем прочитать статью «Как работает лошадиная сила»).
Для увеличения мощности двигателя, турбокомпрессор использует выхлопные газы для вращения турбины, которая, в свою очередь, вращает нагнетатель воздуха. Турбина турбокомпрессора вращается со скоростью до 150.000 оборотов в минуту (об/мин) — это примерно в 30 раз быстрее, чем скорость вращения большинства автомобильных двигателей. В связи с тем, что выхлоп идет на турбокомпрессор, температура в турбине очень высокая.
Далее мы расскажем о том, как узнать, насколько увеличится мощность двигателя, если установить турбокомпрессор.
Система турбонаддува автомобиля Mitsubishi Lancer Evolution IX.
Турбокомпрессоры и двигатели
Одним из самых эффективных способов увеличения мощности двигателя является увеличение количества сгораемого воздуха и топлива. Для этого можно установить дополнительные цилиндры или увеличить их объем. В некоторых случаях невозможно осуществить эти модификации, поэтому установка турбокомпрессора может стать более простым и компактным способом увеличения мощности, особенно для подержанных автомобилей.
Турбокомпрессоры позволяют двигателю сжигать больше топлива и воздуха благодаря увеличению подачи смеси в цилиндры. Стандартное давление сжатия воздуха турбокомпрессором составляет 6-8 фунт/дюйм 2 (0,4 — 0,55 бар). Учитывая, что нормальное атмосферное давление составляет 14,7 фунт/дюйм 2 (1 бар), при помощи турбокомпрессора в двигатель поступает на 50% больше воздуха. Следовательно, можно рассчитывать на увеличение мощности двигателя на 50%. Однако, эта технология не идеальна, поэтому мощность увеличивается на 30 — 40%.
Одна причина недостаточной эффективности состоит в том, что энергия, которая вращает турбину, не является свободной. Турбина, установленная в потоке выхлопных газов, создает препятствие для выхода газов. Это означает, что во время такта выпуска двигатель должен преодолеть высокое противодавление. В связи с этим происходит расход энергии работающих цилиндров.
Расположение турбокомпрессора в автомобиле
Устройство турбокомпрессора
Турбокомпрессор крепится к выпускному коллектору двигателя при помощи болтового соединения. Выхлопы из цилиндра вращают турбину, которая работает как газотурбинный двигатель. Турбина при помощи вала соединяется с компрессором, который установлен между воздушным фильтром и впускным коллектором. Компрессор сжимает воздух, поступающий в цилиндры.
Отработанные газы от цилиндра проходят через лопатки турбины, вызывая ее вращение. Чем больше выхлопных газов проходит через лопатки, тем быстрее происходит вращение.
С другой стороны вала, который установлен на турбине, компрессор вводит воздух в цилиндры. Компрессор представляет собой своего рода центробежный насос — он втягивает воздух в центр лопаток и выпускает его под давлением во время вращения.
Для того, чтобы выдержать скорость вращения до 150.000 об/мин, вал турбины должен иметь надежную опору. Большинство подшипников не выдержит такую скорость и взорвется гидростатические подшипники. Такой тип подшипников поддерживает вал на тонком слое масла, которое непрерывно подается. Это обусловлено двумя причинами: Масло охлаждает вал и некоторые другие детали турбокомпрессора и позволяет валу вращаться, снижая трения.
Существует много различных решений, связанных с конструкцией турбокомпрессоров для автомобильных двигателей. На следующей странице мы расскажем о некоторых оптимальных вариантах и рассмотрим, как они влияют на работу двигателя.
Когда воздух под давлением запускается в цилиндры при помощи турбокомпрессора и затем сжимается поршнями (читайте статью «Как работает автомобильный двигатель» для наглядного описания), существует риск самовозгорания смеси. Возгорание может произойти при сжатии воздуха, т.к. при этом возрастает температура. При высокой температуре может произойти возгорание еще до срабатывания свечи зажигания. Для предотвращения раннего сгорания топлива, автомобили с турбокомпрессором рекомендуется заправлять высокооктановым бензином. Если давление наддува слишком высокое, возможно придется уменьшить степень сжатия двигателя для того, чтобы избежать раннего сгорания топлива.
Как устанавливается турбокомпрессор
Как турбокомпрессор выглядит изнутри
Детали турбокомпрессора
Одна из основных проблем турбокомпрессоров состоит в том, что они не обеспечивают мгновенный форсированный наддув по нажатию на педаль газа. Турбине требуется несколько секунд для того, чтобы набрать скорость вращения, необходимую для наддува. В результате возникает задержка между временем нажатия на педаль газа и временем начала ускорения автомобиля при срабатывании турбины.
Одним из способов устранения задержки является снижение инерции вращающихся деталей, благодаря снижению их массы. Это способствует более быстрому набору скорости вращения турбины и компрессора и раннему началу наддува. Одним из наиболее надежных способов снижения инерции турбины и компрессора является уменьшение их размеров. Небольшой турбокомпрессор быстрее начнет наддув при низкой скорости работы двигателя, однако он не сможет обеспечить достаточный наддув при больших скоростях двигателя, когда в цилиндры поступает значительные объемы воздуха. Также существует риск слишком быстрого вращения на высоких скоростях двигателя, т.к. при этом через турбину проходит значительный объем выхлопа.
Большой турбокомпрессор может обеспечить сильный наддув при высокой скорости вращения двигателя, однако при этом может наблюдаться сильная задержка наддува, т.к. необходимо определенное время на разгон тяжелой турбины и компрессора. К счастью, существует ряд решений данных проблем.
В большинстве автомобильных турбокомпрессоров используется регулятор давления наддува, который позволяет уменьшить время задержки наддува небольших турбокомпрессоров, предотвращая слишком быстрое вращение при высокой скорости вращения двигателя. Регулятор давления наддува представляет собой клапан, который обеспечивает выпуск выхлопа в обход лопаток турбины. Регулятор давления наддува измеряет давление наддува. Если давление слишком высокое, это означает, что турбина вращается слишком быстро, поэтому регулятор давления наддува выпускает определенное количество выхлопа в обход лопаток для снижения скорости вращения турбины.
В некоторых турбокомпрессорах используются шариковые подшипники вместо гидростатических подшипников для поддержки вала. Но это не обычные шариковые подшипники – это особые подшипники, изготовленные из специального материала, которые могут выдержать скорости и температуры турбокомпрессора. Они снижают трение вала турбины при вращении, как и гидростатические подшипники. Они также позволяют использовать меньший и облегченный вал. Благодаря этому происходит быстрый набор скорости турбокомпрессором, что, в свою очередь, снижает задержку.
Керамические лопатки турбины легче стальных лопаток, которые используются в большинстве турбокомпрессоров. Благодаря этому опять же происходит быстрый набор скорости турбокомпрессором, что снижает задержку.
Турбокомпрессор обеспечивает наддув при большой скорости вращения двигателя.
Использование двух турбокомпрессоров и других турбо деталей
На некоторые двигатели устанавливается два турбокомпрессора разного размера. Малый турбокомпрессор быстрее набирает обороты, снижая тем самым задержку ускорения, а большой обеспечивает больший наддув при высокой скорости вращения двигателя.
Когда воздух сжимается, он нагревается, а при нагревании воздух расширяется. Поэтому повышение давления от турбокомпрессора происходит в результате нагревания воздуха до его впуска в двигатель. Для того, чтобы увеличить мощность двигателя, необходимо впустить в цилиндр как можно больше молекул воздуха, при этом не обязательно сжимать воздух сильнее.
Охладитель воздуха или охладитель наддувочного воздуха является дополнительным устройством, которое выглядит как радиатор, только воздух проходит как внутри, так и снаружи охладителя. При впуске воздух проходит через герметичный канал в охладитель, при этом более холодный воздух подается снаружи по ребрам при помощи вентиляторов охлаждения двигателя.
Охладитель увеличивает мощность двигателя, охлаждая сжатый воздух от компрессора перед его подачей в двигатель. Это значит, что если турбокомпрессор сжимает воздух под давлением 7 фунт/дюйм 2 (0,5 бар), охладитель осуществит подачу охлажденного воздуха под давлением 7 фунт/дюйм 2 (0,5 бар), который является более плотним и содержит больше молекул, чет теплый воздух.
Турбокомпрессоры также обладают преимуществом на большой высоте, где плотность воздуха ниже. Обычные двигатели будут работать слабее на большой высоте над уровнем моря, т.к. на каждый ход поршня подаваемая масса воздуха будет меньше. Мощность двигателя с турбокомпрессором также снизится, но менее заметно, т.к. разреженный воздух легче сжимать.
В старых автомобилях с карбюраторами автоматически увеличивается подачу топлива в соответствии с увеличением подачи воздуха. В современных автомобилях происходит то же самое. Система впрыска топлива ориентируется на данные датчика кислорода в выхлопе для определения необходимого соотношения топлива и воздуха, так что система автоматически увеличивает подачу топлива при установленном турбокомпрессоре.
При установке мощного турбокомпрессора на двигатель с впрыском топлива, система может не обеспечить необходимое количество топлива — либо программное обеспечение контроллера не допустит, либо инжекторы и насос не смогут осуществить необходимую подачу. В этом случае необходимо осуществлять уже другие модификации для максимального использования преимуществ турбокомпрессора.
Для получения большей информации по турбокомпрессорам, рекомендуем ознакомиться со ссылками на следующей странице.
Mazda RX-8 купе-кабриолет с установленной системой турбонаддува
Турбонаддув японских автомобилей. Как работает турбина?
Неважно, какая надпись нанесена на ваш автомобиль: «TURBO» или «TWIN TURBO», речь в том и другом случае идет о турбонаддуве. В этой статье речь пойдёт о том, что же такое турбонаддув, как с ним обращаться, чтобы он как можно дольше не доставлял хлопот, и что можно сделать, если эти хлопоты возникнут.
Принципиальных различий в устройстве турбонаддува (далее по тексту — т/н) нет, есть различия в размерах, конструкции некоторых узлов, исполнении т/н. Рассмотрим его работу и устройство на примере одного из самых массовых, хотя и не самого надежного т/н Toyota СТ-20.
Термин «турбина», часто применяемый для обозначения т/н, не совсем соответствует истине, так как турбина является всего лишь одной из составных частей т/н. Т/н состоит из корпуса, вала с крыльчатками, двух опорных и одного упорного подшипников скольжения, системы уплотнений, двух улиток, в которых вращаются крыльчатки. На всю эту конструкцию навешен пневмопривод, приводящий в действие байпасный (перепускной) клапан (на некоторых моделях он отсутствует). Назначение байпасного клапана — регулировать обороты турбины и, соответственно, производительность компрессора. Когда давление воздуха на выходе из компрессора начинает превышать оптимальное, срабатывает пневмопривод, открывающий клапан. В результате часть выхлопных газов напрямую выходит в выхлопную систему, и обороты турбины снижаются. Сама турбина — это крыльчатка, неразъемно насаженная на вал и приводящая во вращение другую крыльчатку — компрессор. Турбина изготовлена из жаростойкого сплава, компрессор — алюминиевый, вал — обычная среднелегированная сталь. Отремонтировать эти детали невозможно, их можно только заменить. Исключение составляет изношенный вал, который иногда можно перешлифовать и под получившийся размер изготовить новые подшипники.
Корпус т/н представляет собой сплошную отливку из чугуна, в которой на подшипниках вращается вал. Изнашиваются обычно постель под подшипники и гнездо под уплотнительное кольцо. Исправить можно расточкой под новый размер. Улитка турбины — чугунная деталь сложной формы. Именно она формирует газовый поток, вращающий турбину. Улитка компрессора представляет собой алюминиевую отливку с механически обработанным местом под компрессор. Вращающийся компрессор засасывает воздух через центральное отверстие, сжимает его и по кольцевому каналу подает в двигатель.
На первый взгляд, конструкция проста. Но высокая точность изготовления всех без исключения деталей, сложные поверхности, точное литье могут создать много проблем даже в условиях хорошо оборудованной мастерской. Тем более что далеко не каждый конкретный т/н можно отремонтировать, порой проще собрать из имеющихся деталей другой.
Рис.1. Турбокомпрессор в разрезе
1 — улитка компрессора;
2 — корпус;
3 — стопорные кольца;
4 — стяжной хомут;
5 — улитка турбины;
6 — уплотнительное кольцо со стороны турбины (аналогичное есть со стороны компрессора, на рис. его не видно);
7 — колесо турбины;
8 — промежуточные втулки подшипников скольжения;
9 — упорный подшипник скольжения;
10 — колесо компрессора;
11 — гайка.
Как же все это работает? Говорят: «Турбина включилась, и я попер. » Это в корне неправильно, так как т/н начинает свою работу с первыми оборотами двигателя и заканчивает ее уже после того, как двигатель остановился. При первых вспышках в цилиндрах двигателя выхлопные газы из коллектора сразу же попадают в улитку турбины и начинают вращать вал с крыльчатками. Пока обороты двигателя невелики, давление и скорость выхлопных газов недостаточны, поэтому компрессор вращается на холостом ходу, не создавая излишнего сопротивления на всасывании, просто перемешивает воздух. Нажимаем на педаль газа. Обороты двигателя растут, на панели загорается зеленая лампочка «TURBO» (если она есть), и вы чувствуете ощутимый толчок в спину. Помните: «Турбина включилась. » Она просто вышла на свои рабочие обороты, кстати, очень высокие: 110-115 тысяч об/ мин. Теперь компрессор не просто месит воздух, а эффективно сжимает его и посылает в двигатель. При этом срабатывает соответствующая сервисная система в карбюраторе (ТНВД ли, EFI, неважно), двигатель получает в цилиндры больший весовой заряд топливной смеси, резко (на 50-70 %) возрастает его мощность и, соответственно, расход топлива.
Турбонаддуву приходится работать в далеко не легких условиях: высокая температура, высокие окружные скорости (скорость на концах лопаток, в зависимости от модели т/н, примерно такая же, как у пистолетной пули — около 300 м/сек). Скорости вращения подшипников также близки к предельно допустимым, чтобы снизить их, приходится идти на различные ухищрения. Что же позволяет работать т/н в таких условиях долго и надежно?
Как только вы завели двигатель, начинает работать масляный насос. Масло по системе каналов под давлением поступает на подшипники т/н, и вал начинает вращаться на масляном клине. При этом свою порцию масла получает и упорный подшипник. Чем больше обороты двигателя, тем больше масла поступает на вал турбины и его подшипники. Эти подшипники изготовлены из специально подобранных материалов, для них выбраны оптимальные зазоры: при меньших зазорах возникает опасность подклинивания подшипников при тепловом расширении, при больших — опасность срыва масляного клина и работы в условиях полужидкостного трения, к тому же возникает перекос вала и идет интенсивный износ уплотнительного кольца. Поскольку зазоры в парах вал — подшипник, подшипник — корпус очень малы и соизмеримы с размерами ячеек масляного фильтра, то следует помнить о чистоте масла и состоянии масляного фильтра.
Долговечность подшипников скольжения, в отличие от подшипников качения, не зависит в такой мере от частоты вращения. Коэффициент трения у правильно рассчитанных и работающих в условиях жидкостной смазки подшипников скольжения равен 0,001-0,005. Однако, при неблагоприятных условиях работы (высокая вязкость масла, высокие окружные скорости, малые зазоры) коэффициент трения достигает 0,1-0,2, что приводит к снижению оборотов т/н, а следовательно, и снижению его эффективности и повышению нагарообразования из-за повышения теплоотвода. Подшипники скольжения надежно работают при температуре не более 150 градусов С. При более высоких температурах возникает опасность разрыва масляного слоя в результате разжижения масла. Кроме того, при высоких температурах обычные минеральные масла быстро окисляются и теряют свои смазочные свойства.
При полужидкостной смазке непрерывность масляного слоя нарушена, и поверхности вала и подшипника на участках большей или меньшей протяженности соприкасаются своими микронеровностями. При граничной системе смазки поверхности вала и подшипников соприкасаются полностью или на участках большой протяженности, разделительный масляный слой здесь вообще отсутствует.
Пока двигатель вращается, и масляный насос создает давление, исправный т/н работает нормально. Но рано или поздно вы заглушите двигатель, он остановится, остановится и масляный насос, давление масла в системе мгновенно упадет до нуля, а вал с крыльчатками, который имеет приличный вес и вращается с очень большой скоростью, мгновенно остановиться не сможет. Но масляного клина уже нет. Возникает полужидкостная смазка, переходящая в граничную. В тяжело нагруженных подшипниках возникает перегрев, расплавление, схватывание и заедание подшипника. Плюс грязное масло, и в результате идет интенсивный износ. А допустимый износ подшипников составляет 0,03-0,06 мм в зависимости от модели т/н. Выводы делайте сами.
Это одна из проблем, возникающих в ходе работы т/н. Для того, чтобы она не стала основной, во-первых, вовремя меняйте масло и масляный фильтр. Во-вторых, используйте только масло, предназначенное для двигателей, оборудованных турбонаддувом, которое несложно выбрать среди большого числа существующих хороших масел. Но в дороге всякое может случиться, и если вам пришлось залить неизвестное масло, то не гоните, двигайтесь потихоньку. Двигатель это масло переживет, а вот турбонаддув — не обязательно. Приехав домой, сразу же смените масло и масляный фильтр.
И, наконец, третье, самое главное условие нормальной работы т/н. Как мы уже отмечали, в жизни т/н есть два самых ответственных момента: запуск двигателя и его остановка. При запуске холодного двигателя масло в нем имеет высокую вязкость, оно с трудом прокачивается по зазорам; еще не установились тепловые зазоры; нагрев разных деталей т/н, а следовательно, и тепловое расширение, идут с разной скоростью. Поэтому не спешите, дайте двигателю и т/н прогреться. Если вам надо остановиться, никогда не глушите двигатель сразу. В зависимости от режима езды дайте ему поработать на холостом ходу 2-5 минут (зимой можно дольше). За это время вал турбины снизит обороты до минимальных, а детали, непосредственно соприкасающиеся с выхлопными газами, плавно остынут. В процессе работы крыльчатка турбины и вал сильно нагреваются. Масло, поступающее для смазки подшипников, нагнетается с большой интенсивностью и успевает снять нагрев с вала, не успев перегреться само. При резкой остановке двигателя прокачка масла прекращается, раскаленная крыльчатка турбины отдает большую часть тепла валу, и масляная пленка, покрывающая детали, разогревается до температуры горения. Идет интенсивное нагарообразование в районе уплотнительного кольца и несколько меньшее — в районе подшипников и на внутренних поверхностях корпуса т/н. Спасает только то, что масло, предназначенное для таких двигателей, изначально рассчитано на более высокие температуры, чем обычное. Но и оно имеет свои пределы. Владельцам автомобилей Nissan следует помнить, что в этих автомобилях т/н работают в более напряженном тепловом режиме, чем, например, у автомобилей Toyota. Значительно облегчает жизнь и продлевает срок службы т/н турботаймер. Он установлен не на всех автомобилях, но эта функция есть во многих охранных сигнализациях.
Приведем пример из практики. Отремонтированный турбонаддув, отработав 6000 км без всяких замечаний, вдруг резко заверещал. Дело было зимой, в морозы. Как рассказывал хозяин машины, он спешил, поэтому, выехав из Арсеньева во Владивосток (путь неблизкий), всю дорогу гнал, сколько можно, благо машина и дорога позволяли. Приехал домой, поставил машину на стоянку, сразу же заглушив двигатель. На улице мороз далеко за 20 градусов С. Утром завел — резкий, неприятный металлический вой турбонаддува. Оказалось, что от резкого перепада температур чугунная улитка турбины деформировалась, и крыльчатка стала ее задевать. Под увеличительным стеклом на подшипниках отчетливо просматривались следы станочной обработки, износ отсутствовал. После замены улитки т/н работал без замечаний.
Это был т/н фирмы Toyota СТ-20, двигатель 2LT. Аналогичные случаи были и на других т/н этой фирмы — СТ-9, СТ-12. Но может возникнуть ситуация еще хуже, когда от перепадов температур и старости возникает трещина в конце кольцевого канала улитки турбины. Распространяясь дальше, она может привести к разрыву окна байпасного клапана и, в результате, к полному выходу т/н из строя. Ремонт в этом случае невозможен. Подобные моменты делают ремонт т/н фирмы Toyota похожим на лотерею — кому как повезет: может проработать и 3 месяца, и 3 года. Поэтому лучше всего заменить т/н на новый, хотя это и значительно дороже.
Такая же беда часто случается с т/н Garret, изготовленными в Японии, крайне редко с т/н фирмы Mitsubishi, но никогда не встречалась нам на т/н Nissan Motors. Последние, несмотря на большие неудобства при снятии — постановке и разборке — сборке, поражают своей добротностью. Встречаются они и на тойотовском двигателе MTEU. но уже без надписи Nissan Motors. Заменить их можно турбонаддувом от двигателя VG-20.
Если у вашей машины пошел интенсивный белый дым из глушителя и упала мощность — т/н надо срочно сдавать в ремонт или менять на новый, потому что в нем изношены подшипники и уплотнительное кольцо около крыльчатки турбины. В результате масло под давлением устремляется в выхлопную трубу, где испаряется и вылетает наружу, создавая дымовую завесу. Расход масла может возрасти до 2-3 литров на 100 км пробега. Бывает и так, что дымовой завесы нет, но автомобиль не может развить мощность, лампочка «TURBO» не загорается, у дизельных двигателей появляется постоянный черный дым на оборотах — все это говорит о том, что скорее всего т/н тоже изношен, и к тому же основательно забит нагаром, поэтому компрессор из-за повышенного сопротивления вращению не развивает рабочих оборотов, а двигателю не хватает воздуха. Эта неисправность характерна в основном для т/н Nissan Motors и Garret.
Несколько слов о снятии и установке турбонаддува, хотя это в большей степени представляет интерес для специалистов. При демонтаже очень неудобно, а порой просто тяжело отсоединить т/н от выхлопного коллектора и приемной трубы глушителя. Поэтому многие автомеханики, стремясь сделать все как можно проще, допускают распространенную ошибку: они снимают стяжной хомут между улиткой турбины и корпусом, а затем с помощью молотка и зубила снимают т/н. В результате они деформируют посадочные плоскости и гнут вал турбины. Теперь эти железки можно только выбросить. Снимать турбонаддув надо целиком, только после этого можно отсоединять улитку турбины, так как эта операция сама по себе требует зачастую больших физических усилий.
При демонтаже надо внимательно и аккуратно обращаться с подающей трубкой масляной системы. Эта трубка имеет очень тонкие стенки, ее легко можно перегнуть, и т/н, сев на голодный масляный паек, работает после такого ремонта очень недолго. Порой хватает 15-20 мин, чтобы окончательно привести в негодность только что отремонтированный или новый агрегат.
При установке т/н сложностей обычно не возникает, хотя есть некоторые тонкости: перед установкой через сливное отверстие в т/н надо залить 30-50 граммов моторного масла (в зависимости от размеров) и пальцем (пальцем, а не отверткой) повращать вал. Затем масло можно слить, так как свою роль оно уже выполнило, масляная пленка на деталях теперь есть, а при установке т/н на место вы все равно разольете это масло или на себя, или на двигатель — по вашему усмотрению. Еще раз убедитесь в исправности масляной магистрали, проверьте, чтобы в т/н не попали посторонние предметы, наличие которых может привести к печальным последствиям, и установите турбонаддув на место.
Итак, т/н установлен, все подсоединено, можно заводить. Не спешите. Заведите двигатель, дайте ему прогреться до рабочей температуры, и лишь когда двигатель и т/н прогреются, начинайте постепенно увеличивать обороты. 1500 об/мин — на 5-10 секунд задержитесь и прислушайтесь к работе т/н. Сбросьте обороты секунд на 20-30. Увеличьте обороты до 2000 и проделайте все то же самое. И так далее, вплоть до красной зоны, Примерно на 2500-3000 об/мин должен появиться характерный звук работающего турбонаддува: легкий чистый свист (некоторые говорят «вой», кому как нравится). Особенно отчетливо этот звук слышен в течение нескольких секунд при резком сбросе оборотов.
Если в процессе запуска послышался металлический звук на каких-то оборотах и выше (звук характерный и отличный от звука, издаваемого исправным т/н), не насилуйте напрасно турбонаддув, он не притрется, а неприятности могут быть. Надо сразу заглушить двигатель, снять т/н, найти и устранить причину этого звука. Но прежде чем снимать, вспомните, что очень похожий звук издает ненатянутый ремень генератора. Поэтому если есть подозрения, что это он может быть источником подобного звука, смочите ремень водой. Звук исчез? Значит, причина действительно была в ремне, и его надо подтянуть. Остался? Значит, надо все-таки снимать турбонаддув и искать неисправность в нем.
После замены или ремонта турбонаддува желательно сразу же заменить масло и фильтр. А лучше это сделать еще перед демонтажем, чтобы новый т/н сразу работал на чистом масле.
Как видите, ничего сложного в эксплуатации турбонаддува нет, требуется лишь элементарная аккуратность: вовремя меняйте масло и масляный фильтр, используйте нужные сорта масла, не перегревайте т/н (к перегреву приводят неисправности в системе зажигания или впрыска, длительная езда на высоких оборотах). Следите за состоянием воздушного фильтра, забитый воздушный фильтр создает повышенное сопротивление на всасывании и производительность компрессора резко снижается. Порванный фильтр пропускает частицы пыли, которые, соударяясь с крыльчаткой компрессора на высокой скорости, изнашивают ее, а заодно и двигатель.
Таким образом, срок службы турбонаддува, в основном, зависит от вашего с ним обращения. Выполняя перечисленные выше рекомендации, вы сможете избавить себя от лишних проблем. Но если возникли какие-то неполадки с т/н, не затягивайте с ремонтом, так как порой хватает нескольких дней для того, чтобы сделать ремонт вашего турбонаддува невозможным. Если т/н не подлежит ремонту, а заменить его нечем, можно попытаться заменить его турбонаддувом с другой модели, от двигателя, обладающего примерно такими же характеристиками, хотя это тоже не всегда возможно и связано с большими переделками. Работать такой т/н будет, хотя и хуже штатного, при условии, что вы найдете человека, который возьмется за такую работу, да и стоить это будет дороже, чем просто ремонт т/н. Но этот путь все-таки лучше, чем заглушка на месте турбонаддува, потому что двигатель изначально все-таки был изготовлен для работы с турбонаддувом и очень отличается от такого же двигателя без т/н (например, двигатели 2L и 2LT). У турбинированного двигателя усилены вкладыши, более мощный коленвал, совершенно другие фазы газораспределения, по-другому отрегулированы и настроены топливная аппаратура, система зажигания и т.д. К тому же машина с заглушенным турбонаддувом по динамике напоминает утюг. И если тот же Nissan Largo даже с работающим т/н не отличается особой резвостью, то об автомобиле с заглушенным и говорить нечего.
Но если вам все же придется заглушить турбонаддув, постарайтесь сделать это грамотно, не создавая лишнего сопротивления на всасывании и выхлопе, это ослабляет и без того ослабленный двигатель. А лучше походите по разборкам и постарайтесь найти свой агрегат, пусть не рабочий, но подлежащий восстановлению. Это окупится и сбереженными при езде нервами, и возможностью лишний раз не попасть в аварийную ситуацию.
Сколько оборотов делает турбина на авто
Турбокомпрессор или турбина – устройство в грузовом автомобиле, направлено на увеличение давления во впускном коллекторе ДВС, призванное обеспечить большее поступление кислорода в камеру сгорания.
Для полного сгорания в двигателе необходима смесь в так называемом стехиометрическом соотношении: 1 кг топлива на 15 кг воздуха. С помощью турбины при надуве повышается давление всасываемого воздуха и его количество. Благодаря чему увеличивается коэффициент полезного действия двигателя внутреннего сгорания и возможность впрыска большого количества топлива для обеспечения стехиометрического соотношения, что позволяет значительно увеличить крутящий момент и соответственно повысить мощность. По сравнению с безнадувным двигателем идентичный по мощности двигатель с турбиной будет с меньшим рабочим объемом и весом.
Устройство турбокомпрессора
Основным элементом турбины является ротор, который состоит из турбинного колеса с валом и колеса нагнетателя. Турбинное колесо находится на стороне впуска. Оно прочно соединено с валом с помощью лазерной сварки или сварки трением. Колесо нагнетателя смонтировано на другом конце вала ротора, обычно винтовым соединением.
Принцип работы турбины довольно простой: поток отработанных газов из двигателя направляется через турбину и турбинному колесу придается быстрое вращение, которое приводит в движение колесо нагнетателя. Скорость вращения турбины зависит от конструкции и количества отработанных газов. В небольших турбокомпрессорах легковых автомобилей ротор достигает частоты вращения до 300 000 об/мин, в грузовиках 100 000-120 000 об/мин. Для того чтобы не разрушить турбину и двигатель, максимальное давление наддува в большинстве случаев можно ограничивать с помощью регулятора давления.
Детали, из которых изготовлена турбина, требуют большой точности, подгонки и балансировки. Кроме того, у турбин достаточно высокие требования к используемым смазочным материалам, а в некоторых турбинах система смазки служит так же системой охлаждения подшипниковой части турбины.
Вращение компрессора, а также избыточное давление, развиваемое им зависят от количества отработанных газов, проходящих через турбинную часть. При малых оборотах ДВС их количество незначительно, поэтому, в случае, когда резко вырастает потребность в увеличении мощности двигателя (переключение передач, нажимание педали газа для ускорения), кроме поступления дополнительного топлива, на время раскрутки колеса компрессора, его избыточное давление низкое, из-за чего двигатель развивает малую мощность и нарушается стехиометрическое соотношение. Эффект меньшей мощности двигателя при резком увеличении потребления топливной смеси называется турбоямой. Усовершенствование конструкции приводит к тому, что момент инерционности ротора в современных турбокомпрессорах меньше.
1 — Корпус подшипника;
2 — Колесо турбинное;
3 — Клапан перепускной;
4 — Корпус турбины;
5 — Каналы масляные;
6 — Вал;
7 — Подшипник скольжения;
8 — Колесо компрессорное;
9 — Корпус компрессора;
10 — Пневматический привод
Система охлаждения турбокомпрессора
Система охлаждения турбокомпрессора 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.
1. Охлаждение маслом.
Преимущества:
— Более простая конструкция
— Меньшая стоимость изготовления самой турбины
— Меньшая эффективность охлаждения по сравнению с комплексной системой
— Высокие требования к качеству масла и необходимость его регулярной замены
— Необходимость постоянного контроля за температурным режимом масла
Комплексное охлаждение маслом и антифризом
Преимущества:
— Высокая эффективность охлаждения
— Более сложная конструкция самого турбокомпрессора, и достаточно высокая цена
При охлаждении турбины маслом и антифризом повышается ее эффективность и такие проблемы, как закипание и коксование масла, практически не встречаются. Так же практически нет необходимости использовать турботаймер, а в некоторых автомобилях работает электрический насос перекачивающий антифриз для более плавного охлаждения.
Причины неисправностей турбокомпрессора
С конструктивной и функциональной точки зрения ресурс турбины рассчитывается в соответствии со сроком службы двигателя. Но, на практике высоконагруженные компоненты в тракте для отработанных газов подвергаются разным факторам риска, которые могут привести к преждевременному выходу из строя. Для успешного ремонта необходимо анализировать причины поломки и устранять их. Если этого не делать, то существует опасность, что через некоторое время из строя выйдет и новая турбина.
Причины неисправностей и их предотвращение:
Причины неисправностей
Чем вызваны неисправности
Предотвращение неисправностей
1. Недостаточная смазка.
Недостаточное количество масла – одна из самых частых причин выхода из строя турбины. В случае недостаточного маслоснабжения турбины из-за высокой частоты вращения неисправности возникают довольно быстро.
— Слишком низкий уровень масла в двигателе. Поэтому не только двигатель, но и турбина испытывают недостаток смазки и масляного охлаждения.
— Применяемое масло недостаточно температуростойкое. Поэтому образуется повышенное количество масляного нагара. Это может вызвать проблемы: приточный маслопровод турбины и смазочные отверстия в корпусе подшипника могут коксоваться.
— Если двигатель запустить в горячем состоянии, то может закоксоваться впускное отверстие для масла, в результате чего масло в турбину будет поступать в недостаточном объеме.
— При выведении холодного двигателя на высокие обороты сразу же после пуска существует опасность того, что двигатель еще недостаточно обеспечен маслом, что может привести к отсутствию масла в турбине.
— Если в масляном контуре находятся посторонние частицы, например, загрязнения или остатки уплотнений, то подводящий маслопривод или корпус подшипника могут засориться.
— Если вязкость масла слишком высокая, то недостаточная подача масла к опорам подшипника скольжения вала турбины приводит к тому, что подшипник работает в режиме сухого трения. При слишком низкой вязкости несущая способность масла слишком мала, что может стать причиной полусухого трения, то есть вся система смазки автомобиля рассчитывается исходя из оптимальной вязкости моторного масла.
— Поперечное сечение маслопроводящего отверстия в корпусе подшипника может быть уменьшено из-за неправильного фланцевого уплотнения или применения жидкого герметика.
— Нельзя заглушать двигатель на высоких оборотах, сначала следует перейти на холостой ход в течение 24 минут, затем глушить двигатель. Если сделать это сразу, то турбина будет некоторое время вращаться без подачи смазки т.к. масляный насос прекратит её подачу. При этом будут повреждаться подшипники и кольца турбокомпрессора. Аналогичные действия следует провести и перед тем как тронуться с места — обязательно дать двигателю поработать на холостом ходу минимум 24 минуты.
— Необходимо своевременно менять моторное масло, масляный и воздушный фильтры, используя только рекомендованные заводом для данного двигателя. Помните, повышенный нагрев, возникающий при работе турбокомпрессора, снижает эффективность и долговечность масла. Поэтому заливайте только то масло, которое применяется для «турбированных» ДВС согласно инструкции по эксплуатации.
— Следует избегать использования грузовика только на коротких расстояниях.
— Необходимо соблюдать периодичность технического обслуживания в соответствии с указаниями производителя. При этом обращать особое внимание на точность и правильность регулировок топливной аппаратуры, системы зажигания, исправность вентиляции.
— Необходимо использовать соответствующий монтажный комплект для турбины
2. Загрязненное масло.
Грязь, сажа, топливо, водный конденсат, остаточные продукты сгорания или продукты износа металла могут загрязнять масло. В связи с высокой частотой вращения турбины даже мельчайшие частицы могут привести к серьезным повреждениям турбины.
— При превышении периодичности технического обслуживания масляной фильтр не может в достаточной мере фильтровать поступающее масло от загрязнений и частицы грязи поступают через открытый байпасный клапан масляного фильтра в контур двигателя.
— Если двигатель работает с поврежденным масляным фильтром, то из масла невозможно отфильтровать абразивные частицы.
— Если прокладка головки цилиндра или маслоохладитель не герметичны, то вода поступает в масляный контур и разбавляет масло. В связи с этим несущая способность масла снижается.
— Если двигатель отремонтирован, но перед сборкой не очищен надлежащим образом, то в двигателе еще до первого ввода в эксплуатацию находится грязь.
— Охладитель наддувочного воздуха (интеркулер) не был заменен. Собравшееся масло, опилки или осколки, оставшиеся от предыдущих неполадок, поступают через некоторое время в двигатель.
— Если двигатель подвергается значительному износу, то главным образом металлические частицы износа попадают в турбину через масляный контур.
— Если в двигателе случаются неполадки при сгорании, то несгоревшие остатки топлива могут попасть в масло. В результате данного разбавления снижается несущая способность масла
— Необходимо соблюдать периодичность технического обслуживания в соответствии с указаниями производителя.
— Необходимо применять только высококачественные масла, разрешенные производителями.
3. Некачественная очистка поступающего воздуха.
Несвоевременная замена воздушного фильтра или подсос воздуха между воздушным фильтром и турбокомпрессором приводят к попаданию в компрессор частиц пыли и даже песка.
— Попадание даже мельчайших частиц при огромной скорости вращения вала турбокомпрессора, приводит к быстрому разрушению лопаток ротора.
— Более крупные частицы могут привести к мгновенному разрушению колеса компрессора и даже к поломке вала турбины.
— Неочищенный воздух помимо пыли содержит также мельчайшие частицы масла; смешиваясь, они постепенно налипают на лопатки компрессора, нарушая динамический баланс ротора и вызывая вибрацию и быстрый износ.
— При замене турбины следует обязательно устанавливать новый охладитель наддувочного воздуха и новый воздушный фильтр. Кроме того, следует проводить замену масла, включая замену масляного фильтра.
— Корпус воздушного фильтра и линию надувочного воздуха следует очищать путем продувки.
4. Выход масла из турбины
Если двигатель проявляет повышенный расход масла и выпускает синий дым, то обязательно следует проверять турбину. Стоит отметить, что из корпуса турбины выдавливается масло только в случае нарушения условий его эксплуатации.
— Если сливная смазочная линия турбины засорена или сужена в связи с изгибом, то масло не может вытекать из турбины. Возможной причиной засорения сливной смазочной линии является коксование обратного трубопровода, что может быть вызвано отсутствием теплозащитных экранов, плохой прокладкой обратного трубопровода, остановкой горячего двигателя, некачественным маслом или использованием жидкого герметика. Поскольку турбина и в дальнейшем обеспечивается маслом из контура двигателя, то масло выдавливается в сторону турбины и нагнетателя.
— Если двигатель заполнен слишком большим количеством масла, то оно больше не может вытекать из сливной смазочной линии в масляную ванну. Кроме того, коленчатый вал вспенивает масло. В результате возникает масляная пена, создающая дополнительные преграды для обратного вытекания масла.
— При слишком высоком давлении в катере в результате либо высокого прорыва газов, засорения вентиляции катера это давление также переносится на сливную смазочную линию турбины. Это служит преградой для слива масла из турбины, и масло выдавливается в сторону турбины и нагнетателя.
— Двигатель разрешается заполнять только количеством масла, не превышая предусмотренный максимум.
— Необходимо применять только высококачественные масла, разрешенные производителями.
— Сливная смазочная линия должна прокладываться точно в соответствии с оригинальным состоянием. Кроме того, следует обращать внимание на установку всех теплозащитных экранов.
— Сливную смазочную линию и подключения к катеру следует проверять на проходимость. Как правило, рекомендуется заменять линию и соединитель.
— Вентилятор катера следует проверять и при необходимости заменять.
— При замене турбины следует обязательно установить новый охладитель надувочного воздуха и новый воздушный фильтр. Кроме того, следует провести замену масла и масляного фильтра.
5. Дефекты, вызванные посторонними частицами
В случае попадания на сторону впуска или выпуска посторонних частиц или предметов, например, пыли, песка, винтов, остатков поршневых колец или клапанов и отложений, в связи с очень высоким числом оборотов это приводит в большинстве случаев к полному отказу турбины. Следствием может быть также повреждение охладителя надувочного воздуха.
— В случае, например, обрыва клапана или разлома поршневого кольца эти части попадают через впускной коллектор на направляющие лопатки турбины с изменяемой геометрией и на турбинное колесо.
— Причиной попадания посторонних частиц во впускной тракт может быть как не герметичность впускного тракта, так и загрязнение или повреждение воздушного фильтра.
— В зимний период конденсат может привести к образованию льда во впускном тракте.
— Следует обращать внимание на герметичность впускного тракта.
— После работ во впускном тракте необходимо обязательно убедиться в том, что там не осталось неприкрепленных деталей.
— Воздушный фильтр следует менять в соответствии с указаниями производителя.
— Следует избегать использования автомобиля только на коротких дистанциях.
6. Дефекты, вызванные слишком высокой температурой выхлопных газов
Каждая турбина рассчитана только на соответствующий диапазон температур. При выходе за пределы этого диапазона турбина может со временем стать неисправной.
— В двигателе наблюдаются неполадки при сгорании.
— Двигатель остановлен в горячем состоянии.
— Турбину разрешается применять только в предусмотренном для него транспортном средстве.
— Турбину разрешается монтировать и эксплуатировать только в оригинальном состоянии поставки. Запрещается вносить технические изменения.
— После высоких нагрузок, например, после поездок при полной нагрузке, двигатель следует охладить, перейдя на умеренную температуру вращения.
7. Повышение номинального числа оборотов
Установленные в турбину детали рассчитаны на определенный диапазон частоты вращения. В случае выхода за его пределы за считанные секунды могут возникнуть серьезные повреждения турбины (например выход из строя подшипника).
— В результате коксования дефлекторы турбины с изменяемой геометрией блокируются, вызывая снижение частоты вращения. В этом случае при повышении частоты вращения двигателя турбина перекручивается.
— Пневматическая или электрическая система регулирования не работает или негерметична.
— Нельзя изменять комплектность поставки турбины.
— Турбину разрешается монтировать только в предусмотренных для этого транспортных средствах.
— После высоких нагрузок, например, после поездки при полной нагрузке, двигатель следует охладить, перейдя на умеренную частоту вращения.
— Необходимо использовать только моторные масла, разрешенные производителями.
— Необходимо соблюдать периодичность технического обслуживания в соответствии с указаниями производителя.
Важность такого узла как турбонасос сложно переоценить, ведь турбина напрямую связана с системой ДВС и неисправная турбина может вывести из строя двигатель грузовика, что повлечет за собой дорогостоящий ремонт.
Поэтому важно использовать качественные турбины, зарекомендовавших себя производителей. Наиболее известные производители турбокомпрессоров: Mahle, BorgWarner, Holset, Garrett, KKK. Производить монтаж турбины специалисты советуют в квалифицированном сервисе в оригинальном состоянии поставки.
На сервисной станции компании «Коммерческий транспорт» Вы можете произвести качественный ремонт и замену турбины европейского грузовика. В магазинах компании «Коммерческий транспорт» представлен широкий ассортимент качественных турбин.
При подготовке материала использовались данные, любезно предоставленные компанией Mahle.
