За что отвечает турбина
О турбинах в целом
Турбины устанавливают как на бензиновые, так и на дизельные двигатели. Некоторые производители используют турбины низкого наддува. Давление, которое создает такая турбина, невысокое, ее основная цель заключается в создании турбулентных потоков воздуха, которые способствуют более качественному смешиванию бензина с топливом. Турбины высокого давления гораздо эффективнее. У моторов с турбиной высокого давления литровая мощность может быть в полтора раза выше, чем у атмосферного аналога. Но ее конструкция немного сложнее. Для того чтобы излишнее давление на высоких оборотах не повредило двигателю, инженеры придумали специальный клапан для устранения избыточного давления. Для многих турбомоторов обязательным атрибутом является интеркулер. Его задача – охлаждать воздух, нагретый турбиной. В холодном воздухе содержится больше кислорода при равном объеме. Современные системы впрыска позволяют практически полностью избавиться от такого явления, как «турбояма» (провал мощности при резком нажатии газа), характерного для двигателей более старой конструкции. В процессе эволюции турбин фактически все недостатки турбомоторов были исключены. Многие как за счет использование двух турбин для низких и высоких оборотов, так и за счет применения турбин с переменной производительностью – такие турбины имеют возможность менять наклон нагнетающих (компрессионных) лопастей. В итоге получили моторы высокой литровой мощности при компактных размерах самих агрегатов.
Лопасти турбины под воздействием выхлопных газов вращаются с огромной скоростью — более ста тысяч оборотов в минуту. Ось, которая приводится в движение ведущей крыльчаткой, крепится с помощью подшипников скольжения к корпусу турбины. Для смазки подшипников используется моторное масло, которое подается под давлением. Как только двигатель перестает работать, давление масла резко падает, а обе крыльчатки, ведущая и нагнетающая, продолжают по инерции вращаться. Подшипники вала, на который насажены обе крыльчатки, оказываются без смазки. Вследствие таких перегрузок турбина начинает «кушать» масло. Через увеличившийся зазор смазка просачивается под нагнетающей крыльчаткой и попадает во впускной коллектор, а потом сгорает в цилиндрах. При сильном увеличении зазора турбина начинает выть. К тому же турбина не может долго держать высокие обороты без поступления соответствующего количества отработанных газов. Поэтому износ от масленного «голодания» в подшипнике качения сопровождается и другими побочными факторами. Например: после продолжительной работы двигателя с приличной отдачей мощности корпус турбины сильно разогревается от большого количества проходящих через неё раскаленных отработанных газов. Чаще всего турбина охлаждается протоком того же моторного масла. Если прекратить поступление этого потока, при остановке двигателя, обязательно происходит пригорание остатков смазки к деталям турбины, что приведет, со временем к накоплению нагара и неизбежному износу деталей. В этом случае справедливо принять решение к применению более качественного масла, будет больше шансов выжить. Хорошим решением для сохранения работоспособности турбины будет применение так называемого турбо-таймера. Устройство обеспечивает автоматическую задержку выключения двигателя после выключения зажигания на время, достаточное для того чтобы детали турбонадува успели остыть. Многие модели турбо-таймеров имеют даже индикацию температуры турбины и времени необходимого на остывание турбины. Турбо-таймер можно использовать как отдельно, так и совместно с автосигнализацией. Недостатком использования служит то, что при возможности перегрева турбины таймер может ее отключить в самый неподходящий момент. И приходится контролировать помимо скорости еще и работу турбины.
ПОВРЕЖДЕНИЯ ПРИ ПОПАДАНИИ ИНОРОДНЫХ ЧАСТИЦ
Повреждения, появившиеся в результате попадания инородных предметов через корпус турбины или компрессора.
Такие повреждения явно видны на крыльчатке турбины и крыльчатке компрессора.
Запрещено использовать турбокомпрессор с поврежденными крыльчатками, т.к. Повреждения вызывают дисбаланс ротора, что может привести к полному разрушению турбокомпрессора и привести к серьезной поломке двигателя.
НЕДОСТАТОЧНАЯ ПОДАЧА МАСЛА
Недостаток подачи масла может иметь следующие причины:
• неквалифицированная установка турбокомпрессора;
• длительный простой мотора;
• повреждена или засорена маслоподающая трубка;
• низкое давление масла в следствии неисправностей в системе смазки;
• низкий уровень масла или его отсутствие в картере;
• использование герметиков, которые могут попадать в маслоподающие каналы и блокировать или ограничивать поступление масла;
• незаполненный маслом масляный фильтр при смене масла (желательно «прокрутить» мотор, чтобы создать давление масла);
• старт мотора при еще не полностью заполненных масляных каналах.
ЗАГРЯЗНЕННОЕ МАСЛО
Повреждения из-за загрязненного масла
Обычно выглядят как глубокие царапины на подшипниках и валу. Для предупреждения таких повреждений используйте качественное масло и фильтры, рекомендованные ОЕ производителем.
Помимо регламентных ТО согласно спецификации автомобиля, масло и фильтры обязательно нужно менять при смене турбокомпрессора.
Причины повреждения из-за грязного масла могут быть такие:
• поврежденный, забитый или низкого качества масляный фильтр;
• грязь, попавшая во время сервисных работ;
• износ двигателя или частицы износа;
• не работающий перепускной клапан масляного фильтра;
• масло с пониженными смазочными свойствами.
Неисправности, вызванные образование карбонового налета
Налет возникает в следствии повышенной температуры выхлопа или остановки мотора сразу после прекращения движения.
Рекомендуется перед выключением мотора дать ему поработать 2-3 минуты на холостом ходу, чтобы система подшипников турбокомпрессора успела остыть.
Жар со стороны турбины проникает в корпус подшипника, что вызывает карбонизацию масла и отложения в системе подшипников. Основные повреждения получают вал в районе маслоупорного кольца, ближний к турбине подшипник, блокируются масляные каналы в корпусе подшипника.
Возможные причины карбонизации масла:
• остановка мотора сразу после прекращения движения;
• низкое качество масла;
• нерегулярная смена масла приводит к его порче;
• утечки воздуха и выхлопа;
• неполадки в топливной системе (форсунки, насосы и т.д.)
О техническом обслуживании
Но особенности эксплуатации все-таки остались. Периодичность ТО у машин с турбиной, как правило, меньше, чем у атмосферников. Требования к маслу для турбодвигателей более жесткие; это, естественно, сказывается на цене. Турбина – достаточно сложный агрегат, и неправильное пользование ее может дорого обойтись. Правильный подбор масла под определенный тип двигателя позволит увеличить моторесурс двигателя в 2 раза, а правильная эксплуатация автомобиля и его периодическое техническое обслуживание – еще в 2 раза. Воздушный и масляной фильтры регулярно проверяются в соответствии с рекомендациями производителя, а в некоторых условиях (пыльные дороги) даже чаще.
Клапан вестгейт (Wastegate)
Обходной клапан вестгейт служит для защиты подшипника турбины и двигателя от разрушения. Поток выхлопных газов старается раскрутить крыльчатку до бесконечности, тем самым нагнетая всё больше и больше воздуха в двигатель. Соответственно воздух увеличивает количество рабочей смеси, увеличивая поток выхлопных газов. Турбина раскручивается ещё быстрее. Получается замкнутый цикл.
Если этот цикл не остановить, турбина набирает обороты гораздо больше максимальных 100000-150000 об/мин, выдавая большое давление наддува. Если двигатель не расчитан на такое давление, произойдёт детонация, и скорый выход из строя поршней. Так же высокие обороты турбины вызывают помпаж (Surge), это когда воздух уже идёт не в двигатель, а обратно на вход компрессора, с соответствующим звуком.
Обходной клапан бывает двух видов: встроенный и внешний. Встроенный (актуатор) крепится прямо на турбине, и имеет заслонку, которая отводит часть выхлопных газов, при достижении определённого давления, в обход турбины, в глушитель. У него ограниченные возможности, он не может отводить слишком большой поток выхлопных газов.
Внешний клапан выполняет те же функции, но крепится на выпускном коллекторе. При достижении заданного давления компрессора, открывается, и начинает стравливать выхлопные газы с выпускного коллектора, в обход турбины — в глушитель, не позволяя раскручиваться турбине больше положенного.
Клапан блоу-оф (Blow-Off)
Его так же называют — байпасс, перепускной клапан (Bypass valve). Блоу-офф сбрасывает воздух на улицу (с соответствующим звуком), а байпасс обратно на вход турбины, как правило применяется с ДМРВ. В отличии от вестгейта этот клапан открывается не от давления турбокомпрессора, а от вакуума, который создаётся во впуске при закрытии дроссельной заслонки. Клапан блоу-оф ставится на впускной патрубок, между компрессором и дросселем. А вакуум берётся там же, где и на тормоза: во впускном коллекторе.
Представьте ситуацию: вы разгоняете двигатель, турбина набирает максимальные обороты, давление воздуха во впуске 2,5 атмосферы, поток воздуха на большой скорости поступает в двигатель, и… вы бросаете газ, что бы переключить скорость. Дроссельная заслонка закрывается, но турбина крутится на тех же оборотах. Упс… кажется это был пневмоудар (помпаж). Лопаткам компрессора в этот момент не позавидуешь. Как правило частый помпаж гнёт вал компрессора, лопатки, изнашивает упорный подшипник.
Вы переключили скорость, а лопатки турбины уже уменьшили своё вращение, и нужно опять их раскручивать, а это потеря времени.
Для того, что бы при закрытии дросселя, воздух нашёл себе путь, и существует клапан блоу-оф. Вакуум образуемый при закрытии дроссельной заслонки мгновенно открывает перепускной клапан, и поток воздуха безпрепятственно выходит на улицу, или на вход турбокомпрессора. Крыльчатка турбины при этом не теряет своих оборотов, и готова раскручиваться вновь, на новой передаче.
Интеркулер ( промежуточный охладитель воздуха ) является неотъемлемой частью двигателя с турбонаддувом. Он работает примерно как радиатор в автомобиле, только охлаждает не тосол, а воздух, нагретый турбиной. Турбокомпрессор имеет две части — горячую и холодную. Горячая часть раскручивается выхлопными газами, и сильно нагревается. Холодная часть закачивает атмосферный воздух в мотор, при этом тоже сильно нагревается от горячей части.
Горячий воздух сильно расширен, и в нём меньше молекул кислорода, так нужного двигателю. Поэтому воздух нужно охладить, иначе весь эффект от турбонаддува не будет иметь смысла. Чем холоднее воздух, поступающий в двигатель, тем больше его мощность.
Размер интеркулера тоже нельзя увеличивать бесконечно, чем больше интеркулер, тем больше турбопровал, то есть накачанный воздух пропадает в недрах слишком большого интеркулера при прибавке «газа». Но на мощных моторах он должен быть достаточно большим, иначе маленький интеркулер будет тормозить поток воздуха от большого турбокомпрессора. К примеру на моторе мощностью 1000 л/с входное и выходное отверстие интеркулера должно быть не менее 100 мм.
Интеркулер немного отличается по своему устройству от радиатора для тосола. В его каналах существуют дополнительные перегородки, для того чтобы воздух отдавал тепло как можно быстрее. Так же он выдерживает большое давление и температуру, и выполнен целиком из металла ( алюминия ) для большей прочности.
На двигателях с турбонаддувом сильно возрастает тепловой режим работы двигателя. Количество сгоревшей рабочей смеси за единицу времени увеличивается пропорционально давлению наддува, соответственно тепло переходит не только в мощность двигателя, но и передаётся его частям. Сильно нагреваются поршни, цилиндры, выпускная система и турбина.
При температуре 260`С минеральные компоненты в масле могут закоксоваться, и отложиться в масляных каналах и подшипнике турбокомпрессора. Так же масло при большом нагреве становится очень жидким и теряет смазывающие свойства. Синтетическое масло менее подвержено воздействию нагрева, почти не теряет вязкость и не коксуется, поэтому предпочтительней для двигателей.
Что бы не допустить перегрева масла, для этого служит масляный радиатор. Он подсоединяется к специальному переходнику под масляным фильтром. Большинство турбин не имеют канал для охлаждающей жидкости (тосола), и поэтому единственный способ охладить подшипник турбины — смазка холодным маслом.
Для отвода излишней температуры от турбомотора все средства хороши, и поэтому иметь масляный радиатор желательно на каждой турбированной машине.
Итог:
1. После пуска двигателя, дать ему поработать около 1 минуты. Полное рабочее давление создается за секунды, но оно только позволяет разогнать движущиеся части турбины в условиях при хорошей смазки. Газовать на двигателе, который лишь несколько секунд назад завелся – значит заставлять турбину вращаться на высоких скоростях в условиях ограниченной смазки. Это может привести к преждевременной поломки турбокомпрессора.
2. Не перегазовывать сразу после пуска двигателя, ехать на низких оборотах.
3. После активной езды на высоких оборотах дать остыть двигателю после остановки около 3-5 минут, после чего можно глушить мотор. При нагруженном двигателе, турбокомпрессор работает на очень высоких оборотах от 100 тысяч до 250 тысяч и при высокой температуре. Быстрое выключение зажигания или «горячее выключение» создает быстрые переходные процессы и перепады температур в турбине и уменьшает тем самым жизнь турбокомпрессора.
4. Желательно не оставлять двигатель долго работающим на холостых оборотах (более 20-30 минут). При холостых оборотах, турбина генерирует низкое давление и возможны протекания паров масла через соединения турбины. Это не приносит никакого реального вреда для турбины, только придает синий дым к выхлопу двигателя.
5. Менять масло по регламенту, через заданный интервал, следить за его качеством. Следить за состоянием воздушного и масляного фильтра и так же не забывать о их своевременной замене.
6. В промежутки между ТО следить за уровнем масла, и при необходимости доливать его.
Устройство и принцип работы турбокомпрессора
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
Классический турбокомпрессор состоит из следующих элементов:
— Корпус. Выполняется из жаропрочных материалов (стали). Он имеет форму улитки с двумя разнонаправленными патрубками, оснащенными фланцами для крепления в системе турбонаддува.
— Турбинное колесо. Преобразует энергию отработавших газов во вращение вала, на котором оно жестко зафиксировано. Изготавливается из жаропрочных материалов (железо-никелевый сплав).
— Компрессорное колесо. Воспринимает вращение от турбинного колеса и нагнетает воздух в цилиндры двигателя. Колесо компрессора зачастую изготавливают из алюминия, что снижает потери энергии. Температурный режим на этом участке близок к нормальным условиям, и применение жаропрочных материалов не требуется.
— Вал турбины (ось) — соединяет турбинное и компрессорное колеса.
— Подшипники скольжения, или шарикоподшипники. Необходимы для крепления вала в корпусе. В конструкции может быть предусмотрен один или два подшипника. Смазка последних осуществляется общей системой смазки двигателя.
— Перепускной клапан — предназначен для управления потоком отработавших газов, воздействующим на колесо турбины. Это позволяет управлять мощностью наддува. Клапан оснащен пневматическим приводом. Его положение регулируется ЭБУ двигателя, получающим соответствующий сигнал от датчика скорости.
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
Виды и срок службы турбокомпрессоров
Основным недостатком работы турбины является возникающий на малых оборотах двигателя эффект «турбоямы». Он представляет собой временную задержку отклика системы на изменение оборотов двигателя. Для устранения этого недостатка разработаны различные виды турбокомпрессоров:
— Система twin-scroll, или раздельный турбокомпрессор. Конструкция имеет два канала, которые разделяют камеру турбины и, соответственно, поток отработавших газов. Это обеспечивает более быстрое реагирование, максимальную производительность турбины, а также предотвращает перекрытие выпускных каналов.
— Турбина с изменяемой геометрией (с переменным соплом). Такая конструкция чаще используется на дизеле. Она предусматривает изменение сечения входа в колесо турбины за счет подвижности ее лопастей. Смена угла поворота позволяет регулировать поток отработавших газов, благодаря чему происходит согласование скорости отработавших газов и рабочих оборотов двигателя. На бензиновом двигателе турбина с изменяемой геометрией часто устанавливается на спортивных автомобилях.
К минусам турбокомпрессоров можно отнести и небольшой срок службы турбины. Для бензиновых двигателей он в среднем составляет 150 000 километров пробега машины. В свою очередь, ресурс турбины дизельного двигателя несколько больше и в среднем достигает 250 000 километров. При постоянной езде на высоких оборотах, а также при неправильном подборе масла сроки эксплуатации могут сократиться в два или даже в три раза.
В зависимости от того, как работает турбина, на бензиновом или дизельном двигателе, можно судить о ее исправности. Сигналом о необходимости проверки узла является появление синего или черного дыма, снижение мощности двигателя, а также появление свиста и скрежета. Для профилактики неисправностей необходимо вовремя менять масло, воздушные фильтры и регулярно проходить техобслуживание.