Принцип работы турбонаддува бензинового двигателя

Газотурбинный наддув

Устройство турбонаддува

Чаще всего моторы современных автомобилей оснащаются газотурбинными нагнетателями. Их устройство сходно с механическими компрессорами, различается лишь принцип действия – вместо зубчатого ремня работают выхлопные газы.

«Турбина включилась, и машине как будто пинка дали», — такое довольно часто можно услышать от автовладельцев, моторы машин которых имеют турбонаддув. На самом деле турбина – это только одна из составных частей всей системы, представляющая собой крыльчатку, жестко закрепленную на валу и приводящую в действие другую крыльчатку, также закрепленную на этом же валу. Устройство турбонаддува газотурбинного типа несколько сложнее.

Основными составными частями являются:

• корпус;
• две крыльчатки;
• вал, на котором располагаются крыльчатки;
• две улитки, в которых вращаются крыльчатки;
• три подшипника скольжения (один упорный и два опорных);
• перепускной клапан (необходим для стравливания избыточного давления).

Принцип работы турбонаддува

Принцип работы турбонаддува довольно прост. На одном валу расположены крыльчатка-нагнетатель и крыльчатка-турбина, каждая из которых вращается в своей улитке. Отработавшие газы из выпускного коллектора проходят через одну из улиток и вращают крыльчатку-турбину. Вращение посредством общего вала передается второй крыльчатке, которая повышает давление атмосферного воздуха, проходящего через вторую улитку.

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.

Ремонт турбины дизельного двигателя своими руками

Чтобы сделать ремонт турбины на дизельном двигателе, необходимо иметь все нужные инструменты, детали, а также большой опыт выполнения сложных ремонтных работ. В противном случае рекомендуется отправиться в автосервис.

Если же на вашем авто дизельный двигатель, и вы собираетесь провести ремонт своими руками, но у вас мало опыта, результат может быть неудовлетворительным. Например, внутрь устройства попадет песок, и в итоге турбина окончательно сломается. Поэтому выполнять ремонт самостоятельно можно, только если вы уверены, что справитесь.

Прежде чем приступить к работе, необходимо обзавестись ремкомплектом. Что придется приобрести: вкладыши, сальники, винты, шурупы и шайбы. А также для ремонта потребуются такие инструменты, как торцевые и рожковые ключи, отвертки, кусачки с раздвижными губками, фигурная правка, съемник и киянка. С их помощью вы сможете сделать ремонт турбины на дизельном двигателе самостоятельно.

Если вы собрались сделать ремонт на легковом либо грузовом авто, прежде всего нужно демонтировать турбину. Как это сделать:

• откручиваем болты либо убираем стопоры, с помощью которых крепится корпус компрессора и турбины;
• в случае если турбокомрпессор прикипел, стучим по корпусу киянкой;
• затем демонтируем улитку.

Теперь приступаем к диагностике подшипников картриджа. Не должно быть продольного люфта, допускается небольшой поперечный люфт. Чтобы убрать стопорное кольцо компрессора, воспользуйтесь кусачками с раздвижными губками. В этот момент обратная сторона вала должна быть зафиксирована при помощи фигурной правки. Разбирая механизм, помните о левой резьбе на валу.

Чтобы демонтировать компрессорное колесо, потребуется съемник. Как не допустить его разбалансировку? Необходимо монтировать детали в правильное положение. Поэтому наносим метки на колесо и гайки.

Ремонт турбины на дизельном двигателе будет выполнен правильно, если вы сможете хорошо очистить все элементы и удостовериться, что они не сломаны.

Какие детали могут прийти в негодность? Прежде всего, это втулки, которые быстро изнашиваются, появляется люфт картриджа. Для ремонта втулок придется демонтировать стопорные кольца, а затем убрать болты крепления. Кроме того, заменить нужно вкладыши, которые удерживает стопор. Прежде чем снимать кольца уплотнителя, тщательно удаляем нагар с вала картриджа, а также крыльчатки.

Обнаружили, что вал изношен? Тогда следует заменить вкладыши. Вал обтачивается под ремонтный размер, затем выполняется его балансировка. Заметили, что выработка есть только на вкладышах, устанавливаем новые детали подходящего размера.

Как только ремонт будет завершен, производим сборку механизма, монтируем его обратно. Также следует удостовериться в том, что стопорные кольца установлены на картридж достаточно плотно. В случае если они не сядут в гнезда, турбокомпрессор придет в негодность.

Прежде чем установить обратно вкладыши, втулки и маслосъемные кольца, следует нанести на них смазку. Только так не появятся задиры при запуске механизма. Собирать турбокомпрессор нужно в обратной последовательности. Усилие, с которым следует затягивать гайку крепления, составляет 5 Нм, однако рекомендуется заранее изучить инструкцию по эксплуатации турбины. Затем механизм устанавливается на мотор и крепится при помощи винтов и стопоров.

Обратите внимание! Многие неопытные водители при ремонте турбины на дизельном двигателе допускают частую ошибку. Между корпусом, втулкой и валом картриджа есть специальные зазоры, они заполнены смазкой

Нужны эти зазоры для компенсации демпферного эффекта. Автолюбитель-новичок считает, что это завышенный люфт, поэтому монтирует втулки большего размера, в натяг. Все это приводит к тому, что ротор не может нормально вращаться, втулка быстро приходит в негодность по причине эффекта демпфера и недостаточного количества масла. В итоге вал деформируется.

Кроме того, следует помнить о том, что механизм должен быть отбалансирован на стенде после проведения ремонта турбины на дизельном двигателе. Конечно, можно сделать балансировку своими силами, однако у вас должен быть опыт проведения подобной работы. Если собрать механизм неправильно, турбокомпрессор сломается, а водителю придется потратить крупную сумму на его замену или восстановление. Именно по этой причине специалисты советуют выполнять ремонт турбины на дизельном двигателе на СТО.

Небольшой прирост или солидное увеличение мощности

Существует несколько способов форсирования силовой установки без турбонаддува. Можно произвести ряд доработок конструкции головки блока цилиндров, обеспечить установку спортивных распредвалов, поставить фильтр нулевого сопротивления, улучшить продувку и тем самым обеспечить подачу большего количество воздуха в цилиндры при  езде в режиме максимально высоких оборотов.

Вполне можно и вовсе не стремится менять количество поступающего в мотор воздуха, а вместо этого увеличить степень сжатия и перейти на использование горючего с более высоким октановым числом. Доступно даже расточить цилиндры и нарастить их объем. Это также позволит увеличить КПД Вашего мотора.

Все указанные способы уместны и работают, но только тогда, когда мощность планируется увеличить всего на 15-20%.

Если речь заходит о кардинальных изменениях и значительном увеличении мощности мотора, тогда без компрессора уже не обойтись. Наиболее эффективным методом будет установка турбокомпрессора. Более того, установка турбонаддува способна увеличить мощность  любого специально подготовленного для таких возросших нагрузок мотора.

В предыдущих статьях мы поверхностно  перечислили основные элементы системы турбонаддува. Теперь давайте подробнее рассмотрим те главные этапы и процессы, когда сначала воздух проходит в системе с установленным турбокомпрессором, а затем отработавшие газы приводят в действие компрессор. Для примера возьмем турбокомпрессор дизельного ДВС.

• В самом начале пути воздух пропускается через воздушный фильтр и оказывается на входе в турбокомпрессор;
• Внутри турбонагнетателя попавший туда воздух проходит процесс сжатия. При этом возрастает количество необходимого для эффективного сгорания топливно-воздушной смеси кислорода на единицу объема воздуха. В этот самый момент сжатия проявляется нежелательный в данном случае эффект нагрева воздуха от сжатия и снижение его плотности;
• Для охлаждения после сжатия в турбокомпрессоре воздух попадает в интеркулер. В интеркулере температура воздуха практически полностью возвращается на начальный уровень. Благодаря охлаждению достигается как увеличение плотности воздуха, так и снижается вероятность появления детонации от использования последующей топливовоздушной смеси;
• За интеркулером охлажденный воздух минует дроссельную заслонку и оказывается во впускном коллекторе. Последним этапом становится такт впуска, когда рабочая смесь окажется в цилиндрах двигателя;
• Объем цилиндра представляет собой неизменную постоянную величину, которая зависит от его диаметра и хода поршня. Благодаря турбокомпрессору этот объем активно заполняется сжатым и охлажденным воздухом. Это означает, что количество кислорода в цилиндре сильно возрастает по сравнению с атмосферными моторами. Не трудно догадаться, что чем большее количество кислорода поступило, тем больше горючего можно сжечь за рабочий такт. Сгорание большего количества горючего в результате приводит к заметному увеличению итоговой мощности мотора;
• После эффективного сгорания топливовоздушной смеси в цилиндрах двигателя наступает такт выпуска. На этом такте отработавшие газы уходят в выпускной коллектор через выпускные клапаны. Весь этот поток разогретого (от 500С до 1100С  зависимо от типа двигателя) газа проникает в турбину и начинает воздействовать на турбинное колесо. Колесо под давлением выхлопных газов передает энергию на вал турбины, а на другом конце вала находится компрессор.

Так и происходит процесс сжатия свежей порции воздуха для следующего рабочего такта. Одновременно происходит падение давления отработавших газов, а также снижается температура выхлопа. Это получается по причине того, что часть энергии газов уходит на обеспечение работы турбокомпрессора на другой стороне вала турбины;

Преимущества и недостатки

Существует ряд факторов, которые выгодно отличают дизельные двигатели:

• экономичность. КПД в 40% (до 50% с применением турбонаддува) просто недосягаемый показатель для бензинового собрата;
• мощность. Практически весь крутящий момент доступен на самых низких оборотах. Турбированный дизельный двигатель не имеет ярко выраженной турбоямы. Такая приёмистость позволяет получить настоящее удовольствие от вождения;
• надежность. Пробег самых надежных дизельных двигателей доходит до 700 тыс. км. И все это без ощутимых негативных последствий. Благодаря своей безотказности, дизельные ДВС ставят на спецтехнику и грузовики;
• экологичность. В борьбе за сохранность окружающей среды дизельный двигатель превосходит бензиновые моторы. Меньшее количество выбрасываемого СО и использование технологии рециркуляции выхлопных газов (EGR) приносят минимум вреда.

Недостатки:

• стоимость. Комплектация, оснащённая дизельным двигателем, будет стоить на 10% больше, чем такая же модель с бензиновым агрегатом;
• сложность и дороговизна обслуживания. Узлы ДВС выполнены из более прочных материалов. Сложность устройства двигателя и топливной аппаратуры требует качественных материалов, новейших технологий и большого профессионализма в их изготовлении;
• плохая теплоотдача. Большой процент КПД значит то, что при сгорании топлива происходят меньшие потери энергии. Другими словами, выделяется меньше тепла. В зимнее время года эксплуатация дизельного двигателя на короткие расстояния будет негативно сказываться на его ресурсности.

Рассмотренные минусы и плюсы не всегда уравновешивают друг друга. Поэтому вопрос о том, какой из двигателей лучше, будет стоять всегда. Если вы собираетесь стать владельцем такого автомобиля, учтите все особенности его выбора. Именно ваши требования к силовой установке будут тем фактором, который решит что лучше: бензиновый или дизельный двигатель.

Компрессорный блок

Часть турбины, через которую нагнетается атмосферный воздух, называют компрессором. Главные компоненты: корпус (холодная улитка), ротор. Ротор жестко установлен на общую ось с крыльчаткой турбины. При вращении первой происходит движение роторного колеса в обратном направлении. За счет вращения алюминиевых лопастей ротора воздух затягивается вихревым потоком, давление воздуха увеличивается за счет перехода потока с центра ротора на его стенки.

Двойная турбина задействуется на многоцилиндровых блоках

Воздушный фильтр, установленный на входе во впускной коллектор, препятствует попаданию грязи, мелкого мусора, и пр. в турбину.

Что это такое?

Это специальное техническое нововведение, которое обеспечивает принудительную подачу дополнительной порции воздуха в цилиндры. Причем эта система актуальна не только по отношению к автомобильным ДВС, ею оснащаются силовые агрегаты других транспортных средств:

• авиация
• тепловозы
• корабельных

Сегодня эта система является не только самым эффективным способом увеличения мощности силового агрегата, но и распространенным. Причем увеличение мощности двигателей с турбонаддувом достигается с сохранением объема цилиндров и количества оборотов коленвала. Такой системой можно оснастить любой мотор, даже если это не предусмотрено конструкцией.

Как правильно ездить на дизеле с турбиной

Слишком активная езда без охлаждения может быстро вывести турбину из строя. Поэтому после интенсивных «покатушек» нужно постоять несколько минут на холостых и только потом глушить мотор. За это время циркулирующее масло охладит конструкцию турбины до нормальной температуры.

Чтобы долго не ждать остывания турбомотора, рекомендуется перед парковкой ехать в спокойном режиме. А если надолго попали в пробку, то не стоит резко ускоряться. Иначе можно спровоцировать критический перегрев, ведь двигатель с турбиной и так будут слишком нагреты от длительного простоя без движения.

Турбина постоянно подвергается высоким нагрузкам. В процессе езды лучше придерживаться средних оборотов. Иногда необходимо разгонять двигатель до очень высоких оборотов, чтобы в системе турбонаддува активировался естественный процесс очистки.

В зимнее время нужно мотору и турбине дать немного прогреться и только потом трогаться. Нельзя допускать перегазовок

Особое внимание должно уделяться качеству масла и горючего. Вовремя нужно менять моторное масло и фильтры

Ну и, конечно же, следует часто проверять уровень моторного масла, а не только перед дальней поездкой. Если уровень падает, подшипники недополучают необходимого количества смазки. Это приводит к быстрому износу деталей турбины. Тут уже нужно разбираться, куда уходит масло. Возможно сломался масляный насос или масляная система разгерметизировалась.

Бережная езда и своевременное обслуживание уберегут турбину от выхода из строя. При своевременном обнаружении поломок возможен ремонт турбины своими руками. Иногда достаточно лишь подтянуть хомуты или заменить ремкомплект.

Какие разновидности схем подключения компрессоров существуют?

Системы типа Twin-Turbo и Biturbo отличаются между собой схемой подключения наддува. Как правило подключение реализуют по трем основным схемам: параллельная, последовательная, а также ступенчатая. Далее вы узнаете о каждой из них более детально.

Параллельная схема. Данный тип подключения предусматривает два одинаковых нагнетателя, которые работают одновременно, параллельно друг другу. Главная суть такого типа подключения состоит в том, чтобы снизить инерционность, которая наблюдается при использовании одной большой. Перед тем как поступить в цилиндры, воздух, который нагнетает Biturbo, отправляется во впускной коллектор, где происходит его смешивание с топливом и подача в камеры сгорания. Такую схему, как правило, применяют на дизельных моторах.

Последовательно-параллельная схема. Такой тип подключения представляет собой две одинаковые турбины, которые работают в разных режимах. Одна из турбин постоянно работает, обеспечивая экономию топлива и необходимую мощность на средних оборотах. А вторая «улитка» вступает в работу в случае увеличения нагрузки и повышении оборотов двигателя. За переключение режимов отвечает специальный клапан, который работает под управлением ЭБУ двигателя. Система позволяет эффективно избежать возникновения «турбоямы», обеспечивая плавный равномерный разгон. Как только ЭБУ замечает повышение оборотов в работу встает вторая вспомогательная турбина, в результате чего мотор имеет хороший подхват без провалов и задержек. Похожий принцип используют системы TripleTurbo, у которых не два, а целых три турбокомпрессора.

Ступенчатая схема. Двухступенчатая схема турбонаддува — это две турбины, которые имеют разный размер. Установленные «улитки» последовательно соединены с впускным и выпускным каналами. В каналах имеются перепускные клапана, способные регулировать потоки воздуха и выхлопных газов. Такая схема может работать в трех режимах.

На низких оборотах клапаны закрыты, а отработавшие газы идут по каналам через две «улитки». Из-за низкого давления газов, крыльчатки большой турбины почти не вращаются. Воздух свободно проходит мимо обеих ступеней компрессоров, при минимальном избыточном давлении.

Когда обороты двигателя увеличиваются происходит открытие клапана, в результате чего большая турбина начинает включаться в работу. Большой нагнетатель создает давление и сжимает воздух, затем подает его на малое колесо, тем самым еще больше сжимая его.

В момент максимальной нагрузки двигателя, оба перепускных клапана открыты на 100%, это приводит к тому, что поток отработавших газов идет сразу на большую «улитку» и проходя через нее нагнетается в цилиндры. Такой ступенчатый тип, как правило, используется на дизельных моторах.

Из преимуществ стоит выделить:

1. Решение проблемы турбоямы;
2. Прибавка в мощности при относительно небольших объемах силового агрегата;
3. Обеспечение высокого крутящего момента, прекрасная динамика;
4. Мотор с Biturbo будет иметь намного более экологичный выхлоп, по сравнению с обычным силовым агрегатом. Этого удается достичь благодаря более эффективному сгоранию топлива;
5. Экономия топлива.

Недостатки у Битурбо следующие:

1. Требовательность к качеству топлива и моторного масла;
2. Высокая стоимость технологии, которая в конечном итоге приводит к удорожанию всего силового агрегата;
3. Сложная конструкция;
4. Дорогой и сложный ремонт.

На этом буду заканчивать. Как видите любая, даже самая сложная технология, имеет простое объяснение, главное вникнуть в суть вопроса

Спасибо за внимание, пишите в комментах доводилось ли вам попробовать технологию «Твинтурбо» и «Битурбо» лично, а также какие ваши впечатления о данных системах. Берегите себя, до новых встреч на savemotor.ru

Схема и принцип действия газотурбинного двигателя

Газотурбинным двигателем (ГТД)  называют тепловую машину, в которой энергия топлива преобразуется в кинетическую энергию струи и в механическую работу на валу. Основными элементами ГТД являются компрессор, камера сгорания и газовая турбина.

Принцип действия ГТД следующий.

1. Воздух из атмосферы поступает в компрессор (сечение «В-В»), где происходит сжатие воздуха (плотность, давление и температура возрастают). Если компрессор идеальный, то сжатие воздуха осуществляется в адиабатном процессе (  ), показатель адиабаты к=1.4.

Отношение давления воздуха на выходе из компрессора к давлению на входе называется степенью повышения давления в компрессоре:  .

2. Из компрессора (сечение «К-К») воздух поступает в камеру сгорания, где при постоянном давлении происходит подвод тепла к потоку воздуха при горении топлива. В результате подогрева в камере сгорания газ на её выходе имеет высокую температуру. Отношение температуры газа на выходе из камеры сгорания к температуре атмосферного воздуха называется степенью подогрева воздуха в двигателе:  .

3. Из камеры сгорания газ поступает в турбину (сечение «Г-Г»), где происходит расширение газа (плотность газа уменьшается). Если турбина идеальная, то процесс расширения принимается адиабатным. Показатель адиабаты газа равен 1.33.

4. Из турбины (сечение «Т-Т») газ направляется в выходной канал двигателя. Таким образом, ГТД представляет собой открытую термодинамическую систему, в которой реализуется цикл Брайтона.

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:

1. Корпус. Выполняется из жаропрочных материалов (стали). Он имеет форму улитки с двумя разнонаправленными патрубками, оснащенными фланцами для крепления в системе турбонаддува.
2. Турбинное колесо. Преобразует энергию отработавших газов во вращение вала, на котором оно жестко зафиксировано. Изготавливается из жаропрочных материалов (железо-никелевый сплав).
3. 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.
4. Вал турбины (ось) — соединяет турбинное и компрессорное колеса.
5. 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.
6. 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

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 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.