Устройство и принцип работы турбокомпрессора

Принцип работы автомобильного турбокомпрессора

Турбокомпрессор является сложным устройством, используемым в целях увеличения мощностных характеристик двигателя благодаря большему количеству воздуха, который подается в цилиндры. Принцип работы турбокомпрессора сводится к следующему:

• при попадании в мотор топливовоздушной смеси происходит ее сгорание, которая затем выходит через выхлопную трубу. В начале выпускного коллектора установлена крыльчатка, крепко соединенная с другой крыльчаткой, расположенной уже во впускном коллекторе;
• поток выходящих из двигателя выхлопных газов раскручивает крыльчатку, находящуюся в выпускном коллекторе, которая в свою очередь приводит в движение крыльчатку, установленную на впуске;
• так, в мотор поступает большее количество воздушной массы, а значит, в него подается и больше топлива. Как известно, чем больше сгорает топливной смеси, тем мощнее становится двигатель. Задача автомобильного турбокомпрессора как раз и состоит в том, чтобы поставлять в силовой агрегат больше воздуха для сжигания большего количества топлива, за счет чего и достигается значительная прибавка мощности.

Как проверить

Неисправность турбокомпрессора характеризуется наличием одного или нескольких отличительных признаков:

• повышенный расход масла;
• нехарактерный звук работающего агрегата;
• падение мощности силовой установки;
• появление из выхлопной трубы сизого или синего дыма.

Проверить турбину можно, не демонтируя ее со штатного места. Первичная диагностика работоспособности агрегата включает в себя:

• осмотр рабочих лопаток турбины и компрессора;
• проверку состояния патрубков;
• контроль наличия осевого и радиального люфта.

Для проверки состояния лопаток необходимо отсоединить выхлопной патрубок турбины и напорный — компрессора. Попадание в рабочие полости даже небольших твердых частиц приводит к образованию задиров и сколов на теле лопаток. При больших скоростях вращения (70-90 тыс. об/мин) это приводит к разбалансировке турбоагрегата, появлению неравномерной нагрузки на подшипники, вибрации и, как следствие, — падению оборотов. Сбои в работе турбины ухудшают параметры наддува и уменьшают тягу двигателя.

Патрубки не должны иметь следов масла. В отдельных случаях может наблюдаться масляное отпотевание на выходе из компрессора, однако при этом напорный патрубок остается сухим. Замасленные патрубки и повышенный расход масла могут обуславливаться как неисправностями турбины, так и двигателя. Правильное определение места дефекта позволит принять верное решение по его устранению.

Наличие люфта в радиальном и осевом направлениях чреват задеванием лопаток о стенки улитки. Это может привести к полному разрушению агрегата. Сдвиг ротора в осевом направлении недопустим. Возможен люфт в диаметральной плоскости не более 1 мм. Если же перемещение ротора больше нормы, то турбоагрегат необходимо демонтировать для ремонта или замены.

Если по результатам диагностики неисправность обнаружить не удалось, то необходимо проверить герметичность выхлопного тракта для турбины и напорного — для компрессора. Падение мощности автомобиля может быть обусловлено плохой регулировкой или неисправностью топливной аппаратуры. Большое влияние на параметры наддува оказывает состояние воздушного фильтра.

Турбонаддув: принцип работы

Задача турбины – нагнетать воздух в цилиндры, что осуществляется при помощи компрессора. Благодаря этому, смесь из топлива и воздуха насыщается кислородом, что приводит к увеличению КПД и улучшению сгораемости топлива. Таким образом, движок начинает работать эффективнее при прежнем объеме.

Чтобы понять принцип работы турбины на двигателе, сначала стоит разобраться с тем, как именно работает обычный двигатель. Его функционирование обеспечивается четырьмя последовательными тактами:

1. Впуск – движение поршня обеспечивает попадание в камеру сгорания топливно-воздушной смеси.
2. Компрессия – горючая смесь сжимается.
3. Расширение – выработанная свечами искра приводит к возгоранию смеси.
4. Выпуск – поршень перемещается вверх, освобождаются и выводятся выхлопные газы.

Чтобы повысить эффективность работы мотора, идти можно по одному из трех путей:

1. установить турбонаддув;
2. увеличить объем двигателя;
3. повысить количество оборотов коленвала.

Увеличение объема, безусловно, приведет к повышению эффективности, но это неизбежно повлечет за собой повышенный расход горючего. Повышение оборотов коленчатого вала не всегда возможно по техническим причинам, к тому же, не избежать снижения эффективности из-за потерь энергии во время каждого из тактов.

Как работает турбонаддув? Он нагнетает в цилиндр предварительно сжатый воздух, вследствие чего количество поступаемого воздуха повышается, а мощность силового агрегата растет без увеличения его объема.

Когда бензиновый двигатель запускается, газы поступают в турбину, приводя с помощью своей энергии в движение ротор, раскручивающий колесо компрессора, захватывающее воздух, подаваемый в цилиндры. Компрессор увеличивает давление воздуха примерно на 80%.

Турбина на бензиновом двигателе позволяет повысить мощность примерно на 30%.

Как установить

Некоторые владельцы грузовиков с нетурбированными двигателями самостоятельно монтируют агрегаты для повышения мощности мотора. Установка турбины на простой КамАЗ связана с изготовлением фундамента, т.к. такого места конструкцией не предусмотрено. Чаще всего ставят один агрегат на оба блока. В большинстве случаев используют турбокомпрессоры чешского или немецкого производства.

Специалисты считают, что перед тем, как поставить турбокомпрессор на КамАЗ-740 (простой), необходимо поменять коленвал и поршневую группу на усиленные. В противном случае возникнут проблемы с двигателем, и тогда предстоит замена большего количества деталей.

Устанавливают такие агрегаты и на турбированных двигателях: один вместо двух. Это и дешевле, и вероятность выхода из строя уменьшается вдвое. Такую установку можно провести как самостоятельно, так и обратиться в сервис. На специализированном предприятии не только профессионально выполнят работы, но и дадут гарантию на их проведение. Многие автовладельцы считают, что гораздо проще установить двигатель подходящей мощности, чем приспосабливать к нему турбину, а настройки проводить методом проб и ошибок.

Особенности эксплуатации турбин

В сравнении с , работающим от привода коленчатого вала, достоинствами турбины является то, что она не отнимает , а использует энергию побочных продуктов его работы. Она дешевле в изготовлении и экономичнее в эксплуатации.

Хотя технически устройство турбины дизельного двигателя практически не отличается от систем для бензиновых моторов, на дизеле она встречается чаще. Основная особенность заключается в режимах работы. Так для дизеля могут применяться менее жаропрочные материалы, поскольку температура отработавших газов в среднем составляет от 700 °С в дизельных двигателях и от 1000°С в бензиновых моторах. Это значит, что устанавливать дизельную турбину на бензиновый двигатель нельзя.

С другой стороны, для этих систем характерны и разные уровни давления наддува. При этом стоит учитывать, что производительность турбины зависит от ее геометрических размеров. Давление нагнетаемого в цилиндры воздуха складывается из двух частей: 1 атмосфера давления окружающей среды плюс избыточное, создаваемое турбокомпрессором. Оно может варьироваться от 0,4 до 2,2 и более атмосфер. Если учесть, что принцип работы турбины на дизельном двигателе предусматривает поступление большего объема выхлопных газов, конструкция для бензинового мотора также не может устанавливаться на дизелях.

Виды турбокомпрессоров

Турбина с перепуском отработавших газов WGT.

В горячей улитке турбокомпрессора есть клапан Вестгейт (wastegate) выпускающий выхлопные газы в обход ротора турбины, для того чтобы ограничить рост давления турбокомпрессора выше заданного значения. Вследствие этого поток газов через турбину уменьшается, что снижает как степень сжатия воздуха турбиной, так и излишне высокие обороты вращения вала турбокомпрессора. При низких нагрузках на двигатель клапан закрывается, и весь поток отработавших газов направляется в турбину.

Турбина с изменяемой геометрией турбины VNT.

Турбина с изменяемой геометрией ТИГ (Variable-Nozzle Turbine — VNT, Variable-Turbine Geometry — VTG, Variable-Geometry Turbo — VGT) отличается от классических турбокомпрессоров наличием кольца из специальных лопастей (лопаток). Это дает возможность управлять потоком отработанных газов через турбину.
На малых оборотах двигателя лопатки находятся в полузакрытом состоянии. Выхлопным газам приходится «протискиваться» в узкие проходы между лопаток. Скорость газа возрастает (закон Бернулли) и он быстрее раскручивает турбину.
На повышенных оборотах двигателя
лопатки открываются. Сечение для прохода газов увеличивается, скорость падает, турбина крутится медленнее.

Турбина с дросселированием VST.

В двигателях легковых автомобилей небольшой мощности нашли применение турбины с золотниковым регулированием (VST Variable Sliding Turbine). Турбина VST работает аналогично турбине с неизменной геометрией, с той разницей, что первоначально открывается один из двух каналов золотника. При достижении максимально допустимого давления наддува золотник, непрерывно перемещаясь в осевом направлении, открывает второй канал. Каналы выполнены так, чтобы наибольшая часть потока отработавших газов направлялась к турбине. Оставшаяся часть отработавших газов, за счет дальнейшего перемещения регулирующего золотника, направляется в обход крыльчатки компрессора внутри турбонагнетателя.

Турбина с Twin-scroll (Твинскролл ) – двойная улитка.
Турбина типа «twin-scroll» отличается от обычной наличием двух каналов, разделяющих надвое рабочую камеру турбины. Таким образом, отработавшие газы подаются на турбину раздельно, за счет чего эффективнее используется импульсный наддув.

За счет чего достигается преимущество?
На четырехтактном двигателе порядок работы цилиндров (например у ЗМЗ-409) 1-3-4-2. Представим, что цилиндр 1 заканчивает свой цикл и достигает нижней точки, открывается выхлопной клапан. В то же время, цилиндр 2 заканчивает выхлопной цикл, закрывая выхлопной клапан и открывая впускной клапан. При наличии обычной одиночной турбины, давление выхлопа от цилиндра 1 будет препятствовать забору воздуха цилиндра 2, поскольку оба выхлопных клапана открыты. Так вот, если камеры разделить, проблема разрешится.
Вдобавок, в последнее время появились турбины с изменяемым Twin-scroll: на входе улитки турбины установлен распределительный клапан (Quick Spool Valve), который перенаправляет поток выхлопных газов в разные каналы. А если учесть, что у разных каналов разная геометрия то мы фактически получаем универсальную, управляемую турбину, которая хорошо работает и на низких и на высоких оборотах двигателя.

Твинскролл турбокомпрессор Borg Warner EFR-7163-J (VTV) с интегрированным QSV клапаном (с изменяемой геометрией)

Устройство турбонаддува

Турбина двигателя, работающего на бензине, состоит из таких элементов:

1. Корпус подшипников, размещающий в себе ротор с валом и кольцами с лопастями. Вращаясь, они перенаправляют воздух в цилиндры.
2. Каналы, проходящие через весь корпус. Их функция заключается в доставке масла к вращающимся и трущимся друг о друга элементам, что способствует увеличению срока их службы.
3. Подшипник скольжения, гарантирующий плавную работу ротора, смазываемого и охлаждаемого маслом.
4. Корпус, по форме чем-то напоминающий улитку, защищающий составные элементы механизма от механических повреждений.

Устройство

Первый контур вмещает в себя компрессоры высокого и низкого давления, камеру сгорания, турбины высокого и низкого давления и сопло. Второй контур состоит из направляющего аппарата и сопла. Такая конструкция является базовой, но возможны и некоторые отклонения, например, потоки внутреннего и внешнего контура могут смешиваться и выходить через общее сопло, или же двигатель может оснащаться форсажной камерой.

Теперь коротко о каждом составляющем элементе ТРДД. Компрессор высокого давления (КВД) – это вал, на котором закреплены подвижные и неподвижные лопатки, формирующие ступень. Подвижные лопатки при вращении захватывают поток воздуха, сжимают его и направляют внутрь корпуса. Воздух попадает на неподвижные лопатки, тормозится и дополнительно сжимается, что повышает его давление и придает ему осевой вектор движения. Таких ступеней в компрессоре несколько, а от их количества напрямую зависит степень сжатия двигателя. Такая же конструкция и у компрессора низкого давления (КНД), который расположен перед КВД. Отличие между ними заключается только в размерах: у КНД лопатки имеют больший диаметр, перекрывающий собой сечение и первого и второго контура, и меньшее количество ступеней ( от 1 до 5).

В камере сгорания сжатый и нагретый воздух перемешивается с топливом, которое впрыскивается форсунками, а полученный топливный заряд воспламеняется и сгорает, образуя газы с большим количеством энергии. Камера сгорания может быть одна, кольцевая, или же выполняться из нескольких труб.

Турбина по своей конструкции напоминает осевой компрессор: те же неподвижные и подвижные лопатки на валу, только их последовательность изменена. Сначала расширенные газы попадают на неподвижные лопатки, выравнивающие их движение, а потом на подвижные, которые вращают вал турбины. В ТРДД турбин две: одна приводит в движение компрессор высокого давления, а вторая – компрессор низкого давления. Работают они независимо и между собой механически не связаны. Вал привода КНД обычно расположен внутри вала привода КВД.

Сопло – это сужающаяся труба, через которую выходят наружу отработанные газы в виде реактивного потока. Обычно каждый контур имеет свое сопло, но бывает и так, что реактивные потоки на выходе попадают в общую камеру смешения.

Внешний, или второй, контур – это полая кольцевая конструкция с направляющим аппаратом, через которую проходит воздух, предварительно сжатый компрессором низкого давления, минуя камеру сгорания и турбины. Этот поток воздуха, попадая на неподвижные лопасти направляющего аппарата, выравнивается и движется к соплу, создавая дополнительную тягу за счет одного только сжатия КНД без сжигания топлива.

Форсажная камера – это труба, размещенная между турбиной низкого давления и соплом. Внутри у нее установлены завихрители и топливные форсунки с воспламенителями. Форсажная камера дает возможность создания дополнительной тяги за счет сжигания топлива не в камере сгорания, а на выходе турбины. Отработанные газы после прохождения ТНД и ТВД имеют высокую температуру и давления, а также значительное количество несгоревшего кислорода, поступившего из второго контура. Через форсунки, установленные в камере, подается топливо, которое смешивается с газами, и воспламеняется. В результате тяга на выходе возрастает порой в два раза, правда, и расход топлива при этом тоже растет. ТРДД, оснащенные форсажной камерой, легко узнать по пламени, которое вырывается из их сопла во время полета или при запуске.

форсажная камера в разрезе, на рисунке видны завихрители.

Самым важным параметром ТРДД является степень двухконтурности (к) – отношение количества воздуха, прошедшего через второй контур, к количеству воздуха, прошедшего через первый. Чем выше этот показатель, тем более экономичным будет двигатель. В зависимости от степени двухконтурности можно выделить основные виды двухконтурных турбореактивных двигателей. Если его значение к<2, это обычный ТРДД, если же к>2, то такие двигатели называются турбовентиляторными (ТВРД). Есть также турбовинтовентиляторные моторы, у которых значение достигает и 50-ти, и даже больше.

В зависимости от типа отведения отработанных газов различают ТРДД без смешения потоков и с ним. В первом случае каждый контур имеет свое сопло, во втором газы на выходе попадают в общую камеру смешения и только потом выходят наружу, образуя реактивную тягу. Двигатели со смешением потоков, которые устанавливаются на сверхзвуковые самолеты, могут снабжаться форсажной камерой, которая позволяет увеличивать мощность тяги даже на сверхзвуковых скоростях, когда тяга второго контура практически не играет роли.

Устройство турбины дизельного двигателя

Турбокомпрессор выполняет задачу по нагнетанию воздуха под давлением в цилиндры мотора: чем больше будет воздуха, тем больше топлива силовой агрегат сможет сжечь, что, в свою очередь, приведет к увеличению мощности двигателя без увеличения объема имеющихся цилиндров.

Турбонаддув имеет особую конструкцию из двух элементов:

• турбина;
• компрессор.

Компрессор усиливает поступление воздуха в топливную систему. Составные части компрессора находятся в алюминиевом корпусе. Внутри находится ротор, закрепленный на оси турбины. Вращаясь, ротор вбирает воздух: большая скорость вращения приводит к большему количеству попавшего внутрь воздуха. Для набора скорости существует турбина.

Турбина состоит из корпуса с ротором внутри. Поскольку все элементы устройства взаимодействуют с газами высокой температуры, они изготавливаются из специальных материалов, невосприимчивых к такому воздействию.

Эксплуатация и техническое обслуживание автомобильных турбин

С каждым годом во всем мире ужесточаются экологические требования к выхлопу современных автомобилей. В результате все больше новых автомобилей оснащаются турбинами. Таким образом автопроизводители пытаются выпускать автомобили, которые будут соответствовать жёстким экологическим нормам. Увы, без использования турбин в современных автомобилях добиться сокращения уровня вредных веществ в выхлопе без миллиардных инвестиций невозможно.

Наше интернет издание 1GAI.RU в связи с массовой распространенностью турбированных двигателей в автопромышленности решила собрать для вас все самые важные вопросы и ответы об автомобильных турбокомпрессорах, об их техническом обслуживании, также о многом другом:

Принцип работы двигателя с турбонаддувом

Работа системы турбонаддува основана на использовании энергии отработавших газов. Отработавшие газы вращают турбинное колесо, которое через вал ротора вращает компрессорное колесо. Компрессорное колесо сжимает воздух и нагнетает его в систему. Нагретый при сжатии воздух охлаждается в интеркулере и поступает в цилиндры двигателя.

Несмотря на то, что турбонаддув не имеет жесткой связи с коленчатым валом двигателя, эффективность работы системы во многом зависит от числа оборотов двигателя. Чем выше частота вращения коленчатого вала двигателя, тем выше энергия отработавших газов, быстрее вращается турбина, больше сжатого воздуха поступает в цилиндры двигателя.

В силу конструкции, турбонаддув имеет ряд негативных особенностей, среди которых с одной стороны задержка увеличения мощности двигателя при резком нажатии на педаль газа — турбояма, с другой — резкое увеличение давления наддува после преодоления турбоямы — турбоподхват.

Система с двумя параллельными турбокомпрессорами применяется в основном на мощных V-образных двигателях (по одному на каждый ряд цилиндров). Принцип работы системы основан на том, что две маленькие турбины обладают меньшей инерцией, чем одна большая.

При установке на двигатель двух последовательных турбин максимальная производительность системы достигается за счет использования разных турбокомпрессоров на разных оборотах двигателя. Некоторые производители идут еще дальше и устанавливают три последовательных турбокомпрессора — triple-turbo и даже четыре турбокомпрессора — quad-turbo.

Комбинированный наддув объединяет механический и турбонаддув. На низких оборотах коленчатого вала двигателя сжатие воздуха обеспечивает механический нагнетатель. С ростом оборотов подхватывает турбокомпрессор, а механический нагнетатель отключается. Примером такой системы является двойной наддув моторов TSI от Volkswagen.

Минусы двигателя с турбонаддувомО плюсах мы поговорили в начале статьи, теперь расскажем про минусы двигателя с турбонаддувом. Обратная сторона повышения мощности мотора при сохранении общих характеристик, то есть форсирования, – более интенсивный износ узлов, как следствие, снижение ресурса силовой установки. Кроме того, турбины требуют применения специальных сортов моторных масел и строгого соблюдения рекомендуемых изготовителем сроков обслуживания. Еще более требователен к вниманию владельца воздушный фильтр.

Еще один явный недостаток системы турбонаддува – она очень чувствительна к износу поршневой группы. Возрастание давления картерных газов ощутимо снижает ресурс турбины. При продолжительной работе в таких условиях наступает «масляное голодание» и поломка турбокомпрессора. Причем повреждение этого агрегата вполне может привести к выходу из строя всего двигателя.

Наличие технически сложного турбонаддува двигателя делает мотор автомобиля более сложным, увеличивая число деталей, а значит, снижая общую надежность. К тому же, ресурс самого турбокомпрессора значительно меньше, чем аналогичный показатель двигателя в целом.

Принцип работы турбины на дизельном двигателе и ее устройство

Гениальная идея использования выхлопных газов для разгона ротора позволила создать турбированный дизельный двигатель внутреннего сгорания и увеличить его мощность на 40–50%. Это притом, что во время работы в обычном режиме выброс газов сопровождается снижением коэффициента полезного действия в пределах 30 — 40%.

Принцип работы турбины дизельного двигателя основан на увеличении количества воздуха, смешиваемого с топливом и поступающего в камеру сгорания. За один и тот же период времени и при равных объемах цилиндров, двигатель с турбонаддувом может сжечь большее количество топлива, чем движок, не оснащенный таким устройством. А значит, его мощность и КПД в единицу времени значительно возрастет.

Рассмотрим устройство турбины дизельного двигателя, как работает, и каким образом достигаются такие показатели.

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.