ЧТО ТАКОЕ ТУРБИНА И КАК РАБОТАЕТ ТУРБО МОТОР Часть 1.
Как известно, мощность двигателя пропорциональна количеству топливо-воздушной смеси попадающей в цилиндры. При прочих равных, двигатель большего объема пропустит через себя больше воздуха и, соответственно, выдаст больше мощности, чем двигатель меньшего объема. Если нам требуется что бы маленький двигатель выдавал мощности как большой или мы просто хотим что бы большой выдавал еще больше мощности, нашей основной задачей станет поместить больше воздуха в цилиндры этого двигателя. Естественно, мы можем доработать головку блока и установить спортивные распредвалы, уеличив продувку и количество воздуха в цилиндрах на высоких оборотах. Мы даже можем оставить количество воздуха прежним, но поднять степень сжатия нашего мотора и перейти на более высокий октан топлива, тем самым подняв КПД системы. Все эти способы действенны и работают в случае когда требуемое увеличение мощности составляет 10-20%. Но когда нам нужно кардинально изменить мощность мотора — самым эффективным методом будет использование турбокомпрессора.
Каким же образом турбокомпрессор позволит нам получить больше воздуха в цилиндрах нашего мотора? Давайте взгянем на приведенную ниже диаграмму:
Рассмотрим основные этапы прохождения воздуха в двигателе с турбокомпрессором:
— воздух проходит через воздушный фильтр (не показан на схеме) и попадает на вход турбокомпрессора (1)
— внутри турбокомпрессора вошедший воздух сжимается и при этом увеличивается количество кислорода в единице объема воздуха. Побочным эффектом любого процесса сжатия воздуха является его нагрев, что несколько снижает его плотность.
— Из турбокомпрессора воздух поступает в интеркулер (3) где охлаждается и в основной мере восстанавливает свою температуру, что кроме увеличения плотности воздуха ведет еще и к меньшей склонности к детонации нашей будущей топливо-воздушной смеси.
— После прохождения интеркулера воздух проходит через дросеель, попадает во впускной коллектор (4) и дальше на такте впуска — в цилиндры нашего двигателя.
Объем цилиндра является фиксированной величиной, обусловленной его диаметром и ходом поршня, но так как теперь он заполняется сжатым турбокомпрессором воздухом, количество кислорода зашедшее в цилиндр становится значительно больше чем в случае с атмосферным мотором. Большее количество кислорода позволяет сжечь большее количество топлива за такт, а сгорание большего количества топлива ведет к увеличению мощности выдаваемой двигателем.
— После того как топливо-воздушная смесь сгорела в цилиндре, она на такте выпуска уходит в выпускной коллекторе (5) где этот поток горячего (500С-1100С) газа попадает в турбину (6)
— Проходя через турбину поток выхлопных газов вращает вал турбины на другой стороне которого находится компрессор и тем самым совершает работу по сжатию очередной порции воздуха. При этом происходит падение давления и температуры выхлопного газа, поскольку часть его энергии ушла на обеспечение работу компрессора через вал турбины.
Ниже приведена схема внутреннего устройства турбокомпрессора:
В зависимоти от конкретного мотора и его компоновки под капотом, турбокомпрессор может иметь дополнительные встроенные элементы, такие как Wastegate и Blow-Off. Рассмотрим их подробнее:
Blow-off
Блоуофф (перепускной клапан) это устройство установленное в воздушной системе между выходом из компрессора и дроссельной заслонкой с целью недопустить выход компрессора на режим surge. В моменты когда дроссель резко закрывается, скорость потока и расход воздуха в системе резко падает, при этом турбина еще некоторое время продолжает вращаться по инерции со скоростью не соответствующей новому упавшему расходу воздуха. Это вызывает циклические скачки давления за компрессором и слышимый характерный звук прорывающегося через компрессор воздуха. Surge со временем приводит к выходу из строя опорных подшипников турбины, в виду значительной наргрузки на них в этих переходных режимах. БлоуОфф использует комбинацию давлений в коллекторе и установленной в нем пружины что бы определить момент закрытия дросселя. В случае резкого закрытия дросселя блоуофф сбрасывает в атмосферу, возникающий в воздушном тракте избыток давления и тем самым спасает турбокомпрессор от повреждения.
Wastegate:
Представляет собой механический клапан устанавленный на турбинной части или на выпускном коллекторе и обеспечивающий контроль за создаваемым турбокомпрессором давлением. Некоторые дизельние моторы используют турбины без вейстгейтов. Тем не менее подавляющее большинство бензиновых моторов обязательно требуют его наличия. Основной задачей вейстгейта является обеспечивать выхлопным газам возможность выхода из системы в обход турбины. Пуская часть газов в обход турбины, мы контролируем количество энергии газов которое уходит через вал на компрессор и тем самым управляем давлением наддува, создаваемое компрессором. Как правило вейстгейт использует давление наддува и давление встроенной пружины что бы контролировать обходной поток выхлопных газов.
Встроенный вейстгейт состоит из заслонки встроенной в турбинный хаузинг (улитку), пневматического актуатора и тяги от актуатора к заслонке.
Внешний гейт представляет собой клапан устанавливаемый на выпускной коллектор до турбины. Преимуществом внешнего гейта является то, что сбрасываемый им обходной поток может быть возвращен в выхлопную систему далеко от выхода из турбины или вообще сброшен в атмосферу на спортивных автомобилях. Все это ведет к улучшению прохождения газов через турбину в виду отсутствия разнонаправленных потоков в компактном объеме турбинного хаузинга.
Водяное и маслянное обеспечение:
Шарикоподшипниковые турбины Garrett требуют значительно меньше масла чем втулочные аналоги. Поэтому установка маслянного рестриктора на входе в турбину крайне рекомендована если давление масла в вашей системе привышает 4 атм. Слив масла должен быть заведен в поддон выше уровня масла. Поскольку слив масла из турбины происходит естественным путем под действием гравитации, крайне важно что бы центральный картридж турбины был ориентирован сливом масла вниз.
Частой причиной выхода из строя турбин является закоксовка маслом в центральном картридже. Быстрая остановка мотора после больших продолжительных нагрузок ведет к теплообмену между турбиной и нагретым выпускным коллектором, что в отсутствии притока свежего масла и поступления холодного воздуха в компрессор ведет к общему перегреву картриджа и закоксовке имеющегося в нем масла.
Для минимизации этого эффекта турбины снабдили водяным охлаждением. Водные шланги обеспечивают эффект сифона снижая температуру в центральном картридже даже после остановки двигателя, когда нет принудительной циркуляции воды. Желательно так же обеспечить минимум неравномерности по вертикали линии подачи воды, а так же несколько развернуть центральный картридж вокруг оси турбины на угол до 25 градусов.
Правильный подбор турбины является ключевым моментом в постройке турбо-мотора и основан на многих вводных данных. Самым основным фактом выбора является требуемая от мотора мощность. Важно также выбирать эту цифру максимально реалистично для вашего мотора. Поскольку мощность мотора зависит от количества топливо-воздушной смеси которая через него проходит за единицу времени, опредлив целевую мощность мы приступим к выбору турбины способной обеспечить необходимый для этой мощности поток воздуха.
Другим крайне важным фактором выбора турбины является скорость ее выхода на наддув и минимальные обороты двигателя на которых это происходит. Меньшая турбина или меньший горячий хаузинг позволяют улучшить эти показатели, но максимальная мощность при этом будет снижена. Тем не менее за счет большего рабочего диапазона работы двигателя и быстрого выход турбины на наддув при открытии дросселя в целом результат может быть значительно лучше, чем при использовании большей турбины с большой пиковой мощностью, но в узком верхнем диапазоне работы мотора.
Втулочные и шарикоподшипниковые турбины.
Втулочные турбины были самыми распространенными в течении долгого времени, тем не менее новые и более эффективные шарикоподшипниковые турбины используются все чаще. Шарикоподшипниковые турбины появились как результат работы Garrett Motorsport во многих гоночных сериях.
Отзывчивость турбины на дроссель очень зависит от конструкции центрального картриджа. Шарикоподшипниковые турбины Garrett обеспечивают на 15% более быстрый выход на наддув относительно их втулочных аналогов, снижая эффект турбо-ямы и приближая ощущение от турбо-мотора к атмосферному большеобъемнику.
Шарикоподшипниковые турбины так же требуют значительно меньшего потока масла через картридж для смазки пошипников. Это снижает вероятность утечек масла через сальники. Так же такие турбины менее требовательны к качеству масла и менее склонны к закоксовке после глушения двигателя.
Что такое турбина простым языком
Турбина (турбокомпрессор, турбонаддув) – это автомобильный узел, который использует энергию выхлопных газов для создания избыточного давления во впускном коллекторе, для большей закачки воздуха в камеры сгорания двигателя.
Сегодня разберем на простом языке устройство турбокомпрессора, как он работает. Зачем нужна турбина в машине, что такое вестгейт и актуатор. Рассмотрим возможные неисправности и как их избежать. Какие бывают виды автомобильных турбонагнетателей, что такое твинскрольная турбина и изменяемая геометрия.
Что делает турбина или зачем она нужна в машине
Дело в том, чтобы увеличить мощность двигателя, нужно, помимо всего остального, больше воздуха подать в камеры сгорания. На «атмосферниках» это делается увеличением объёма силового агрегата.
В них поршень самостоятельно всасывает большой объём воздуха в камеру сгорания. Происходит это за счет разряжения, создаваемого над поршнем. Поэтому они называются «атмосферники» – внутрь воздух подается при атмосферном давлении.
Чтобы не увеличивать объём мотора, но повысить его мощность, были придуманы нагнетатели. Они сжимали воздух и под избыточным давлением подавали его в камеру сгорания. То есть, вдували воздух. Отсюда и название «турбонаддув» – надувают моторы воздухом.
Существует два вида нагнетателя:
- Турбонагнетатель, она же турбина. Был разработан в Европе и применятся в европейских машинах.
- Компрессор. Его придумали в США, там его и устанавливали до конца 20 века.
Существенных различий между этими двумя типами нагнетателей достаточно. Поэтому, если интересно – разберем подробно в следующий раз.
Как устроена турбина
Она состоит:
- Из корпуса
- Внутренней части – картриджа.
- Перепускного клапана, он же «калитка». Им управляет актуатор турбины, он же Вестгейт.
В свою очередь корпус можно условно разделить на две части: горячая и холодная части. Так как турбина работает за счет энергии выхлопных газов, а они горячие, то ту часть, через которую они проходят и называют «горячей». Холодная – через неё всасывается уличный воздух, там же он сжимается до определенного давления.
Картридж турбины
Он состоит из двух крыльчаток, насаженных на противоположные стороны одного штока. Крыльчатки это и есть лопасти турбонагнетателя, которые вращаются и выполняют полезную работу.
На оси штока находится подшипник. Он позволяет беспрепятственно вращаться крыльчаткам и удерживает их в фиксированном радиальном и осевом положении, не допуская люфта. Именно люфт относительно корпуса является самой распространенной неисправностью турбины.
К этому подшипнику подводиться моторное масло для его смазки. В некоторых типах турбин оно используется для его охлаждения. Современные виды турбонагнетателей оснащены жидкостной системой охлаждения. Через патрубки подводиться тосол или антифриз из системы охлаждения двигателя.
Актуатор
Это отдельный узел, установленный на корпусе турбонагнетателя. Он состоит из нескольких частей:
- Пневмоклапана, внутри находится мембрана, соединенная со штангой.
- Тяги вестгейта.
- Перепускного клапана, он же «калитка».
Пневмоклапан актуатора регулирует степень открытия перепускного клапана. При изменении разряжения в пневмоклапане, мембрана изгибается и тянет за собой штангу. Она поворачивает тягу, за которую закреплена «калитка». Открываясь, она снижает уровень наддува.
Где находиться турбина
Если она использует энергию выхлопных газов, то логично её искать недалеко от выпускного коллектора. Поэтому, от двигателя двигаемся по трубам выпуска и находим узел с двумя улитками. Одна из которых соединена с выпуском, вторая с впуском.
То есть, выхлопные газы проходят через одну улитку и уходят в выхлопную трубу. А воздух от воздушного фильтра проходит через вторую улитку и идет к интеркулеру – дополнительному радиатору спереди автомобиля.
На разных машинах она может находиться впереди или сзади двигателя. В зависимости от того, в какую сторону выведен выпускной коллектор. В некоторых моделях авто, турбокомпрессор сделан единым узлом с выпуском.
Как работает турбина
Отработанные газы из двигателя попадают в горячую часть турбонагнетателя. Проходя через лопасти крыльчатки, они её раскручивают. После этого, выхлопные газы уходят в выхлопную систему и в атмосферу. Чем выше скорость газов, тем выше скорость вращения лопаток турбоколеса.
Так как оно жестко соединена осью с лопастями холодной части, они начинают вращаться с такой же скоростью. Чем выше их скорость, тем больше воздуха всасывается с улицы. Воздух сжимается и с избыточным давлением поступает через интеркулер во впускной коллектор.
Значит, чем сильнее вы нажимаете на педаль газа, тем выше обороты двигателя, и выше обороты турбины. А значит, больше давление воздуха на впуске.
Видео, принцип работы турбины в машине простыми словами:
Поэтому, на низких оборотах мотора, турбина почти не работает. Если резко нажать на газ, то возникает эффект «турбоямы» – это краткосрочное явление, во время которого раскручивается турбонагнетатель и выходит на свою номинальную производительность. В это время наблюдается небольшой провал в тяге, мотор рычит, но не едет.
На определенных режимах работы силового агрегата, нужно уменьшить степень наддува. Для этого в работу вступает клапан вестгейта. Он приоткрывается, часть выхлопных газов проходят мимо лопастей турбины прямо в выпускную систему. Обороты снижаются, и снижается производительность турбокомпрессора. Значит, уменьшается количество всасываемого воздуха и его давление на впуске.
Этот клапан называют еще байпасом. Потому что газы проходят байпасом, мимо крыльчатки турбины.
Неисправности турбонаддува
Во время работы турбины подшипник нагревается от температуры выхлопных газов. В старых типах для его охлаждения используют моторное масло, которое подается из системы смазки двигателя. В современных турбокомпрессорах применяется охлаждающая жидкость из системы охлаждения силового агрегата.
Поэтому, снижение давления масла в системе или уменьшение его количества сокращает срок службы подшипника, а значит и турбины. Неполадки в системе охлаждения двигателя также ведет к перегреву подшипника и его разрушению. Из-за этого появляется люфт на оси лопаток.
Как следствие:
- Через разрушенный подшипник масло попадает во впускной коллектор.
- Лопатки турбины, разрушаясь, могут цепляться за стенки улитки. Их может заклинить.
- Уменьшается производительность и степень наддува. Появляется ошибка «недодув» или низкая производительность турбокомпрессора .
- Закисание клапана актуатора приводит к передуву или недодуву турбины, в зависимости от того, в каком состоянии он заклинил. Если в открытом положение – недодув, если в закрытом – передув.
Всё это приведет к замене дорогостоящего агрегата. Хотя его уже научились ремонтировать. В продаже появились отдельные компоненты турбонагнетателя, которые можно менять по отдельности.
Тягу перепускного клапана нужно периодически расхаживать и смазывать жаростойкой смазкой. Это продлит срок службы калитки вестгейта. В запущенных случаях ломается шток, здесь только полная замена актуатора.
Какие бывают турбонагнетатели
Это мы рассматривали сингл-скролл турбины классического типа. Теперь вкратце поговорим о других видах турбонагнетателях в автомобиле. В чём их преимущество и зачем заморачивались инженеры.
Твинскрольные
Это турбины для машин, которые имеют в горячей части два отдельных канала для подачи отработанных газов от двигателя. Кроме этого, они имеют разный угол наклона лопаток по длине крыльчатки, омываемой выхлопными газами.
При определенных режимах работы мотора, часть выхлопа попадает через первый канал на лопатки с одним изгибом. В других режимах, газы проходят через второй канал на лопатки с большим углом изгиба.
Таким образом повышается эффективность турбина на разных режимах работы двигателя. Такой конструкцией производители хотели избавиться от эффекта турбоямы, вместо установки битурбо систем на один мотор.
С изменяемой геометрией
Это турбокомпрессор, у которого изменяется геометрия горячей части. В простых агрегатах устанавливается одна заслонка на входе в улитку. В современных автомобильных турбонагнетателях внутри улитки ставят несколько заслонок вокруг крыльчатки. Их поворот направляет поток газов на лопасти турбоколеса.
Изменение сечения горячей части турбины увеличивает её производительность на низких оборотах двигателя. Это снижает эффект турбоямы или турболага. Механизмом изменения геометрии, то есть, этими заслонками, управляет ЭБУ двигателя.