Устройство турбины бензинового двигателя

6 августа 2019 0 Автор

Принцип работы турбонаддува позволяет значительно увеличивать мощностью автомобильных двигателей. Для лучшего понимания работы системы подробно рассмотрим устройство турбины и клапана избыточного давления (вестгейт, от англ. Wastegate). В зависимости от принципа работы клапан называют: байпас (Bypass) либо блоу-офф (Blow-off).

Устройство «улитки»

Устройство турбокомпрессора газового вида.

  1. Корпус подшипников в сборе (картридж турбины).
  2. Турбинное колесо горячей части.
  3. Клапан Bypass.
  4. Корпус турбины (горячая часть нагнетателя).
  5. Каналы для подвода масла к подшипникам скольжения вала ротора.
  6. Вал ротора.
  7. Уплотнительные шайбы.
  8. Компрессорное колесо.
  9. Корпус компрессора (холодная часть нагнетателя).
  10. Привод срабатывания клапана Bypass.

Именно турбокомпрессоры такого типа чаще всего устанавливаются на дизельные и бензиновые двигатели. Устройство простейшей газовой турбины отличается отсутствием клапана Bypass. Некоторые турбонагнетатели газового типа имеют каналы для циркуляции антифриза, что избавляет систему от необходимости установки турботаймера для предотвращения пригорания масла вследствие высоких температур.

Конструктивные особенности

Цельнолитой корпус турбины, ввиду больших термических нагрузок, изготавливается из чугуна либо жаропрочного сплава чугуна и никеля. Также из чугуна изготавливается центральная часть корпуса. Корпус компрессора цельнолитой, но изготавливается из алюминия. Важнейшим элементом турбины является ротор, который состоит из вала и приваренного к нему турбинного колеса. Компрессорное колесо имеет свободную либо переходную посадку, привинчивается к валу ротора гайкой.

Раскручиваясь потоком выхлопных газов, вал ротора вместе с турбинным и компрессорным колесами вращается на очень большой скорости. Для нормальной работы вала в конструкции предусмотрены:

  • опорные подшипники, в качестве которых чаще всего выступают подшипники скольжения. Конструкции с обычными шариковыми подшипниками позволяют уменьшить потери на трение, но обладают меньшим ресурсом, поэтому устанавливаются преимущественно на авто для автоспортивных гонок. Главное предназначение опорных подшипников – создание точек опоры для вращения в центральной части корпуса. Обратите внимание, что на одном из видео показана конструкция турбонагнетателя, в которой раздельные опорные подшипники установлены на роторном валу. На втором видео описание устройства происходит на модели, у которой опорный подшипник выполнен в виде втулки, фиксируемой болтом;
  • упорные подшипники, которые предназначены для предотвращения осевого люфта вала турбины.


Опорные и упорные подшипники работают на масляном клине. Попадание моторного масла нежелательно как в горячую, так и в холодную часть турбонагнетателя. Для предотвращения этого на валу ротора устанавливаются уплотнительные кольца. Смазка к ним не подается напрямую, как в случае с опорными и радиальными подшипниками. Предотвращение ускоренного износа трущихся поверхностей достигается работой на масляном тумане (мелкодисперсные частицы моторного масла, разбрызгивающиеся в процессе вращения вала ротора).

Значение и работа системы смазки

Турбированные дизельные и бензиновые двигатели требуют более качественного масла в сравнении с атмосферными ДВС.

Объясняется это в первую очередь необходимостью качественной смазки подшипников вала ротора турбины. Масло к подшипникам подается под высоким давлением через специальные каналы в картридже, соответственно в корпусе имеется специальный штуцер, через который масло поступает из общей системы смазки двигателя.

Открытие эффекта масляного клина в свое время дало огромный толчок практическому применению гидродинамических принципов смазки. Суть эффекта в том, чтобы в процессе работы между трущимися поверхностями создать масляную пленку, практически полностью исключающую трение между движущимися поверхностями. Важно, чтобы между трущимися поверхностями устанавливалось давление, удерживающее детали при вращении на относительном удалении друг от друга. Достигается это двумя путями:

  • большим давлением в системе смазки;
  • точной подгонкой трущихся пар. Это значит, что между валом и подшипниками скольжения должен быть ровно такой зазор, который бы позволил создать надежный масляный клин. Именно поэтому для ресурса работы турбины жизненно необходим незначительный осевой и радиальный люфт вала ротора.

Основная причина поломки

Одной из причин повышенного расхода масла является неисправность турбины, в случае которой масло просачивается через уплотнения в компрессорную либо турбинную часть корпуса (в таких случаях обычно говорят, что турбина кидает масло). Причина этой неисправности в чрезмерном осевом и радиальном люфте, из-за которого уплотнительные кольца больше не могут справиться со своей задачей.

Читайте также:  Резина баргузин 4х4 205 70 15

Последствия развалившейся турбины

Актуатор турбины

Клапан избыточного давления в системе турбонаддува предназначен для сбрасывания избыточного давление на впуске, а также для уменьшения сопротивления выходу выхлопных газов на высоких оборотах. Производительность турбины определяется в основном углом атаки лопастей турбинного колеса, а также проходным сечением канала горячей части и размером колеса турбины. Чем меньшее проходное сечение канала подвода выхлопных газов, тем раньше в «улитке» горячей части будет достигнуто нужное для раскручивания турбины давление.

Соответственно, на низких оборотах больший прирост мощности даст маленькая турбина, тогда как на высоких оборотах небольшое проходное сечение горячей части приведет к значительному противодействию выхлопным газам. Также у каждой турбины имеется граничное давление, превышение которого ведет к «срыву» воздушного потока с лопастей и потере производительности. О том, как актуатор турбины позволяет избежать помпажа во впускной системе в момент резкого закрытия дроссельной заслонки, увеличить степень компромисса между производительностью на высоких и низких оборотах, рекомендуем прочитать в статье «Турбонаддув в теории и на практике». Наша цель – рассмотреть устройство клапанов избыточного давления разных видов.

Bypass

Применяется конструкция двух видов:

  • замкнутого цикла. Через специальный канал избыточное давление подается в горячую часть турбины, что уменьшает инерционные потери на раскручивание турбинного колеса при последующем разгоне. Система состоит из клапана, воздушных магистралей и регулятора актуатора турбины, который передвигает шток клапана. Регулятор имеет вакуумную систему управления и совмещен с впускным коллектором через диафрагму. При создании определенного давления на впуске диафрагма выгибается, преодолевая усилие возвратной пружины, и открывает через систему тяг байпасный клапан;
  • открытого цикла. Принципиальная разница в том, что при открытии клапана поток воздуха идет в обиход турбинного колеса и направляется непосредственно в выпускную трубу.

Blow-off

Разновидностью системы открытого цикла является система блоу-офф. В работе используется все тот же принцип – специальный клапан сбрасывает избыточное давление с впускной системы. Разница лишь в том, что сброс происходит непосредственно в атмосферу, а сам выход газов на больших оборотах сопровождается характерным звуком.

Турбонаддув — один из методов агрегатного наддува, основанный на использовании энергии отработавших газов. Основной элемент системы — турбокомпрессор.

Содержание

История изобретения [ править | править код ]

Принцип турбонаддува был запатентован Альфредом Бюхи в 1911 году в патентном ведомстве США [1] .

История развития турбокомпрессоров началась примерно в то же время, что и постройка первых образцов двигателей внутреннего сгорания. В 1885—1896 г. Готлиб Даймлер и Рудольф Дизель проводили исследования в области повышения вырабатываемой мощности и снижения потребления топлива путём сжатия воздуха, нагнетаемого в камеру сгорания. В 1905 г. швейцарский инженер Альфред Бюхи впервые успешно осуществил нагнетание при помощи выхлопных газов, получив при этом увеличение мощности до 120 %. Это событие положило начало постепенному развитию и внедрению в жизнь турботехнологий.

Сфера использования первых турбокомпрессоров ограничивалась чрезвычайно крупными двигателями, в частности, корабельными. В авиации с некоторым успехом турбокомпрессоры использовались на истребителях с двигателями Рено ещё во время Первой Мировой войны. Ко второй половине 1930-х развитие технологий позволило создавать действительно удачные авиационные турбонагнетатели, которые у значительно форсированных двигателей использовались в основном для повышения высотности. Наибольших успехов в этом достигли американцы, установив турбонагнетатели на истребители P-38 и бомбардировщики B-17 в 1938 году. В 1941 году США был создан истребитель P-47 с турбонагнетателем, обеспечившим ему выдающиеся летные характеристики на больших высотах.

В автомобильной сфере первыми начали использовать турбокомпрессоры производители грузовых машин. В 1938 г. на заводе «Swiss Machine Works Sauer» был построен первый турбодвигатель для грузового автомобиля. Первыми массовыми легковыми автомобилями, оснащенными турбинами, были Chevrolet Corvair Monza и Oldsmobile Jetfire, вышедшие на американский рынок в 1962—1963 г. Несмотря на очевидные технические преимущества, низкий уровень надежности привел к быстрому исчезновению этих моделей.

Начало использования турбодвигателей на спортивных автомобилях, в частности, на Formula 1, в 70-х годах привело к значительному увеличению популярности турбокомпрессоров. Приставка «турбо» стала входить в моду. В то время почти все производители автомобилей предлагали как минимум одну модель с бензиновым турбодвигателем. Однако, по прошествии нескольких лет мода на турбодвигатели начала проходить, так как выяснилось, что турбокомпрессор, хотя и позволяет увеличить мощность бензинового двигателя, сильно увеличивает расход топлива. На первых порах задержка в реакции турбокомпрессора была достаточно большой, что также являлось серьёзным аргументом против установки турбины на бензиновый двигатель.

Читайте также:  Бачок омывателя гранта цена

Коренной перелом в развитии турбокомпрессоров произошёл с установкой в 1977 г. турбокомпрессора на серийный автомобиль Saab 99 Turbo и затем в 1978 г. выпуском Mercedes-Benz 300 SD, первого легкового автомобиля, оснащенного дизельным турбодвигателем. В 1981 г. за Mercedes-Benz 300 SD последовал VW Turbodiesel, сохранив при этом значительно более низкий уровень расхода топлива. Вообще, дизельные двигатели имеют повышенную степень сжатия и, вследствие адиабатного расширения на рабочем ходу, их выхлопные газы имеют более низкую температуру. Это снижает требования к жаропрочности турбины и позволяет делать более дешёвые или более изощрённые конструкции. Именно поэтому турбины на дизельных двигателях встречаются гораздо чаще, чем на бензиновых, а большая часть новинок (например, турбины с изменяемой геометрией) сначала появляется именно на дизельных двигателях.

Принцип работы [ править | править код ]

Принцип работы основан на использовании энергии отработавших газов. Поток выхлопных газов попадает на крыльчатку турбины (закреплённой на валу), тем самым раскручивая её и находящиеся на одном валу с нею лопасти компрессора, нагнетающего воздух в цилиндры двигателя. Так как при использовании наддува воздух в цилиндры подаётся принудительно (под давлением), а не только за счёт разрежения, создаваемого поршнем (это разрежение способно взять только определённое количество смеси воздуха с топливом), то в двигатель попадает большее количество смеси воздуха с топливом. Как следствие, при сгорании увеличивается объём сгораемого топлива с воздухом, образовавшийся газ находится под большим давлением и соответственно возникает большая сила, давящая на поршень. [ стиль ]

Как правило, у турбодвигателей меньше удельный эффективный расход топлива (грамм на киловатт-час, г/(кВт·ч)) и выше литровая мощность (мощность, снимаемая с единицы объёма двигателя — кВт/л), что даёт возможность увеличить мощность небольшого мотора без увеличения оборотов двигателя.

Вследствие увеличения массы воздуха, сжимаемой в цилиндрах, температура в конце такта сжатия заметно увеличивается и возникает вероятность детонации. Поэтому конструкцией турбодвигателей предусмотрена пониженная степень сжатия, применяются высокооктановые марки топлива, предусмотрен промежуточный охладитель наддувочного воздуха (интеркулер), представляющий собой радиатор для охлаждения воздуха. Уменьшение температуры воздуха требуется также и для того, чтобы плотность его не снижалась вследствие нагрева от сжатия после турбины, иначе эффективность всей системы значительно упадёт. [ стиль ] Турбонаддув особенно эффективен в дизельных двигателях тяжёлых грузовых автомобилей. Он повышает мощность и крутящий момент при незначительном увеличении расхода топлива. [ источник не указан 241 день ] Находит применение турбонаддув с изменяемой геометрией лопаток турбины в зависимости от режима работы двигателя.

Наиболее мощные (по отношению к мощности двигателя) турбокомпрессоры применяются на тепловозных двигателях. Например, на дизеле Д49 мощностью 4000 л.с. установлен турбокомпрессор мощностью 1100 л.с. [ источник не указан 241 день ]

Наибольшей (по абсолютной величине) мощностью обладают турбокомпрессоры судовых двигателей, которая достигает нескольких десятков тысяч киловатт (двигатели MAN B&W). [ источник не указан 241 день ]

Состав системы [ править | править код ]

Кроме турбокомпрессора и интеркулера в систему входят: регулировочный клапан (wastegate) (для поддержания заданного давления в системе и сброса давления в приёмную трубу), перепускной клапан (bypass valve — для отвода наддувочного воздуха обратно во впускные патрубки до турбины в случае закрытия дроссельной заслонки) и/или «стравливающий» клапан (blow-off valve — для сброса наддувочного воздуха в атмосферу с характерным звуком, в случае закрытия дроссельной заслонки, при условии отсутствия датчика массового расхода воздуха), выпускной коллектор, совместимый с турбокомпрессором, а также герметичные патрубки: воздушные для подачи воздуха во впуск, масляные для охлаждения и смазки турбокомпрессора.

Задержка турбокомпрессора [ править | править код ]

Задержка турбокомпрессора — это время, необходимое для изменения выходной мощности после изменения состояния дроссельной заслонки, проявляющееся в виде замедленной реакции на открытие дроссельной заслонки по сравнению с поведением безнаддувного двигателя. Это связано с тем, что выхлопной системе и турбонагнетателю требуется время для раскрутки, чтоб обеспечить требуемый поток нагнетаемого воздуха. Инерция, трение и нагрузка на компрессор являются основными причинами задержки турбокомпрессора.

Читайте также:  Шкода йети или тойота рав 4

Количество выпускаемых автомобилей с турбированными двигателями постоянно растет, поскольку подобные авто пользуются спросом на рынке. Однако далеко не все автовладельцы знают, как работает турбина на бензиновом двигателе, хотя и проявляют интерес к этой тематике. Дело тут вовсе не в лени, а в чрезмерно сложной подаче материала, делающей его недоступным для понимания большинства автомобилистов.

Для начала необходимо понять, для чего нужна турбина: она позволяет увеличить мощность небольшого по объему мотора без вреда для него и без увеличения расхода горючего. Но существуют определенные особенности эксплуатации, соблюдение которых даст возможность повысить эффективность, и продлить общее время работы силового агрегата.

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.

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%.

Эксплуатация турбины

Устройство турбокомпрессора делает его зависимым от качества масла, поэтому пытаться сэкономить на нем не стоит. Несвоевременно поменянное масло может стать причиной нарушений в работе механизма.

Автомобиль, оснащенный турбиной, нуждается после покупки в замене масла и тщательной прочистке топливной системы, при этом смешивать разные масла нельзя.

После продолжительной поездки сразу глушить двигатель не рекомендуется, дав ему немного поработать и охладиться. Резкое выключение может сказать на снижении прочности элементов конструкции, вызванном перепадом температуры.

Турбированный мотор: достоинства и недостатки

Популярность турбодвигателей вызвана их преимуществами перед обычными, заключающимися в:

  • увеличении мощности до 30% и уменьшении расхода топлива (турбомотор будет потреблять меньше горючего, нежели ДВС аналогичной мощности, но без турбины);
  • уменьшении загрязнения окружающей среды;
  • лучшем соотношении веса агрегата к развиваемой мощности;
  • более тихой работе механизма;
  • возможности оптимизировать другие параметры двигателя.

Однако есть и свои минусы:

  • требовательность к качеству масла и бензина, что в конечном итоге повышает расходы на эксплуатацию авто;
  • сложный ремонт, требующий применения специального оборудования, выполнить который своими силами маловероятно. Нередко турбина и вовсе оказывается непригодной к ремонту, а её полная замена заметно ударяет по кошельку автовладельца.

Принцип работы турбины: видео