Принцип работы турбины на дизельном двигателе

Имеет турбонаддув и свои недостатки – это заметная задержка набора мощности при резком нажатии на педаль акселератора. Такое случается в связи с тем, что отсутствует механическая связь коленчатого вала и турбины Мощность начинает расти, когда турбина раскрутится выхлопными газами. Хотя подобное явление в той или иной степени наблюдается у любого двигателя.

Дизельный двигатель, относящийся к категории двигателей внутреннего сгорания, был изобретён в феврале месяце 1893года в Германии инженером Рудольфом Дизелем.

С момента изобретения двигатель постоянно усовершенствовался, менялись виды топлива, способы его подачи, баланс топливной смеси и т.д.

Собранные по классической схеме двигатели, используют принцип превышения атмосферного давления над давлением, создающимся в цилиндре в момент движения поршня к нижней мёртвой точке. Однако за счёт незначительного времени затраченного на выполнения этого действия и небольшого перечного сечения воздухоподводящего канала поступающего воздуха недостаточно для полного сгорания топливной смеси.

Позже на родине Рудольфа Дизеля нашли способ решения данной проблемы. Воздух в цилиндры должен подаваться под избыточным давлением! Это основной принцип работы турбины на дизельном двигателе

Для этой цели было разработано специальное устройство, совмещающее в себе свойства вентилятора и компрессора. Это устройство приводилось в движение непосредственно от коленчатого вала двигателя, что снижало коэффициент полезного действия всей конструкции в целом.

Следующим усовершенствованием системы подачи воздуха стала установка в качестве привода для компрессораспециальной турбины, которая приводилась во вращение за счёт использования энергии потока использованных отработанных газов.

Работает турбокомпрессор следующим образом:

— Выхлопные газы, отводимые от выпускного коллектора дизеля, направляются в приемный патрубок турбокомпрессора.

— Проходят по каналу корпуса турбины, который постепенно уменьшается в сечении, а газы увеличивают скорость и воздействуя на ротор заставляют вращаться турбину. Число оборотов турбины зависит от многих факторов: конфигурации канала, его формы, сечения и т.д. Турбина вращается со скоростью около150000 об/сек, её размеры подбираются в зависимости от типа двигателя.

— Наружный воздух, проходя через фильтрующий элемент, очищается от пыли и других посторонних примесей и в сжатом состоянии попадает во впускной коллектор дизеля. После этого происходит закрытие впускного канала, дополнительное сжатие топливной смеси и её воспламенение. В завершении рабочего цикла открывается выпускной коллектор.

Турбокомпрессорные двигатели имеют перед обычными двигателями определённые преимущества:

Имеет турбонаддув и свои недостатки – это заметная задержка набора мощности при резком нажатии на педаль акселератора. Такое случается в связи с тем, что отсутствует механическая связь коленчатого вала и турбины Мощность начинает расти, когда турбина раскрутится выхлопными газами. Хотя подобное явление в той или иной степени наблюдается у любого двигателя.

Основное применение дизельные двигатели с турбонаддувом нашли на автомобилях большой грузоподъёмности, работающих с полной нагрузкой.

Турбонаддув от выхлопных газов – наиболее эффективная система увеличения мощности двигателя. Использование турбонаддува не увеличивает объем цилиндров и не влияет на частоту вращения коленвала.

Устройство турбокомпрессора автомобиля

Система турбонаддува используется не только в дизельных, но и в бензиновых двигателях.

Система турбонадува состоит из следующих элементов:

• Турбокомпрессора;
• Интеркулера;
• Перепускного клапана;
• Регулировочного клапана;
• Выпускного коллектора.

Как устроена турбина?

Ознакомьтесь подробнее со строением турбокомпрессора в инфографике:

1. Работающий турбокомпрессор сбрасывает в атмосферу через выпускной клапан излишки забранного воздуха, тем самым снижая давление.
2. В турбине клапан выпускает отработанные газы под воздействием мембраны компрессора, когда давление всасываемого воздуха достигает максимального уровня. Благодаря этому, ротор вращается с установленной скоростью, а компрессор не забирает лишний воздух и не увеличивает давление.

Как работает турбонаддув дизельного двигателя

Ротор турбины и крыльчатка компрессора жестко закреплены на одном валу. Таким образом, скорость вращения ротора передается крыльчатке. Круг замыкается:

• Через компрессор воздух из атмосферы, смешиваясь с топливом, подается в цилиндры двигателя;
• Смесь сгорает, приводя в движение поршни, и образовавшиеся в результате газы поступают в выпускной коллектор;
• Здесь они принимаются в корпус турбины, разгоняются в канале и на выходе взаимодействуют с ротором, заставляя его вращаться;
• Ротор через вал передает вращение крыльчатке компрессора, которая всасывает в корпус атмосферный воздух.

Получается взаимосвязанная схема работы, когда количество всасываемого воздуха зависит от скорости вращения крыльчатки и, наоборот, крыльчатка вращается быстрее при большем количестве забираемого воздуха.

Принцип работы турбонаддува имеет два момента, называемые турбоямой и турбоподхватом.

Первый момент характеризуется задержкой в работе турбины после увеличения подачи топлива нажатием на педаль газа, так как для разгона ротора выхлопными газами требуется время.

Вслед за турбоямой наступает момент турбоподхвата, когда разогнавшийся ротор резко увеличивает подачу воздуха в цилиндры, повышая мощность двигателя.

Принцип работы турбонагнетателя

Смотрите видеоролики и анимационные фильмы на канале YouTube Cummins Turbo Technologies, в которых показано, как работает турбонагнетатель.

Важные моменты работы дизельных двигателей

Принцип работы турбонагнетателя

Турбонагнетатель состоит из двух основных частей: турбины и компрессора. Турбина состоит из рабочего колеса (1) и корпуса (2). Среди прочего, назначение корпуса турбины – направлять отработавшие газы (3) на рабочее колесо турбины. Отработавшие газы приводят во вращение рабочее колесо, после чего покидают корпус турбины через зону выхода отработавших газов (4).

(1) Рабочее колесо турбины
(2) Корпус турбины
(3) Отработавшие газы
(4) Зона выхода отработавших газов
(5) Рабочее колесо компрессора
(6) Корпус компрессора
(7) Кованый стальной вал
(8) Сжатый воздух

От чего зависит срок службы турбонагнетателя дизельного ДВС. Особенности и рекомендации касательно эксплуатации и ремонта турбин с изменяемой геометрией.

Турбояма и турбоподхват

Крыльчатка турбины и компрессорное колесо закреплены на одной общей оси. По этой причине наблюдается определенная зависимость, которая заключается в увеличении подачи воздуха компрессором только с ростом оборотов турбины. Специалисты выделяют понятие турбоямы (турболаг), что означает задержку прироста мощности дизеля при резком нажатии на акселератор.

Крыльчатка турбины раскручивается выхлопными газами для создания эффективного давление наддува турбокомпрессором. При определенных условиях турбина может вращаться с очень большой частотой, что зависит от конструктивных особенностей корпуса устройства и интенсивности потока отработавших газов.

Самостоятельная проверка турбокомпрессора дизельного двигателя. Проверка нагнетателя без снятия. Наличие масла в корпусе турбины, люфт вала, крыльчатка.

Когда и почему возникает необходимость настроить актуатор турбокомпрессора. Принцип работы устройства, особенности и доступные способы настройки вестгейта.

От чего зависит срок службы турбонагнетателя дизельного ДВС. Особенности и рекомендации касательно эксплуатации и ремонта турбин с изменяемой геометрией.

Устройство турбокомпрессора, главные элементы конструкции, выбор турбины. Преимущества и недостатки бензиновых и дизельных двигателей с турбонаддувом.

Что представляет собой двигатель с наддувом и чем отличается от атмосферного. Основные преимущества и недостатки турбированных ДВС. Какой мотор выбрать.

Выбор механического нагнетателя или турбокомпрессора. Конструкция, основные преимущества и недостатки решений, установка на атмосферный тюнинговый мотор.

Турбонаддув — вид наддува, при котором воздух в цилиндры двигателя подается под давлением за счет использования энергии отработавших газов.

Турбонаддув — вид наддува, при котором воздух в цилиндры двигателя подается под давлением за счет использования энергии отработавших газов.

В настоящее время турбонаддув является наиболее эффективной системой повышения мощности двигателя без увеличения частоты вращения коленчатого вала и объема цилиндров. Помимо повышения мощности турбонаддув обеспечивает экономию топлива в расчете на единицу мощности и снижение токсичности отработавших газов за счет более полного сгорания топлива.

Несмотря на различия в конструкции отдельных систем, можно выделить следующее общее устройство турбонаддува — воздухозаборник и далее последовательно воздушный фильтр, дроссельная заслонка, турбокомпрессор, интеркулер, впускной коллектор. Все элементы объединяют соединительные патрубки и напорные шланги.

Большинство элементов турбонаддува являются типовыми элементами впускной системы. Отличительной особенностью турбонаддува является наличие турбокомпрессора, интеркулера и новых конструктивных элементов управления.

Турбокомпрессор (другое наименование – турбонагнетатель, газотурбинный нагнетатель) является основным конструктивным элементом турбонаддува и обеспечивает повышение давления воздуха во впускной системе. Конструкция турбокомпрессора объединяет два колеса — турбанное и компрессорное, расположенные на валу ротора. Каждое из колес, а также вал с подшипниками помещены в отдельные корпуса.

Турбинное колесо воспринимает энергию отработавших газов. Колесо вращается в корпусе специальной формы. Турбинное колесо и корпус турбины изготавливаются из жаропрочных материалов (сплавы, керамика).

Компрессорное колесо всасывает воздух, сжимает и нагнетает его в цилиндры двигателя. Компрессорное колесо также вращается в специальном корпусе.

Турбинное и компрессорное колеса жестко закреплены на валу ротора. Вал вращается в подшипниках скольжения. Подшипники плавающего типа, т.е. имеют зазор со стороны корпуса и вала. Подшипники смазываются моторным маслом системы смазки двигателя. Масло подается по каналам в корпусе подшипников. Для герметизации масла на валу установлены уплотнительные кольца.

В некоторых конструкциях бензиновых двигателей для улучшения охлаждения дополнительно к смазке применяется жидкостное охлаждение турбонагнетателей. Курпус подшипников турбонагнеталея включен в двухконтурную систему охлаждения двигателя.

Интеркулер предназначен для охлаждения сжатого воздуха. За счет охлаждения сжатого воздуха повышается его плотность и увеличивается давление. Интеркулер представляет собой радиатор воздушного или жидкостного типа .

Основным элементом управления системы турбонаддува является регулятор давления наддува, который представляет собой перепускной клапан (вейстгейт, wastegate). Клапан ограничивает энергию отработавших газов, направляя их часть в обход турбинного колеса, тем самым обеспечивает оптимальное давление наддува. Клапан имеет пневматический или электрический привод. Срабатывание перепускного клапана производится на основании сигналов датчика давления наддува системой управления двигателем.

В воздушном тракте высокого давления (после компрессора) может устанавливаться предохранительный клапан. Он защищает системы от скачка давления воздуха, который может произойти при резком закрытии дроссельной заслонки. Избыточное давление может стравливаться в атмосферу с помощью блуофф-клапана (blowoff) или перепускаться на вход компрессора с помощью байпас-клапана (bypass).

Принцип работы системы турбонаддува

Работа системы турбонаддува основана на использовыании 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, т.н. «турбояма» (turbolag), с другой — резкое увеличение давления наддува после преодоления «турбоямы», т.н. «турбоподхват».

«Турбояма» обусловлена инерционностью системы (для повышения давления наддува при резком нажатии на педаль газа требуется определенное время), которая приводит к несоответствию между потребной мощностью и производительностью компрессора. Существует несколько способов решения данной проблемы:

1. применение турбины с изменяемой геометрией;
2. использование двух последовательных или параллельных турбокомпрессоров (twin-turdo или bi-turdo);
3. комбинированный наддув.

Турбина с изменяемой геометрией (VNT – турбина) обеспечивает оптимизацию потока отработавших газов за счет изменения площади входного канала. Турбины с изменяемой геометрией нашли широкое применение в турбонаддуве дизельных двигателей, к примеру турбонаддув двигателя TDI от Volkswagen.

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 (BMW) и даже четыре турбокомпрессора — quad-turbo (Bugatti).

Комбинированный наддув (twincharger) 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 двигателя TSI от Volkswagen.

Основной принцип работы турбины на бензиновом и дизельном двигателях заключается в следующем:

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.

Такой механизм позволяет дозировать подачу отработавших газов на колесо в турбине (ротор). Тем самым, позволяет оптимизировать работу турбокомпрессора на различных оборотах.

Принцип работы турбины

Такой механизм позволяет дозировать подачу отработавших газов на колесо в турбине (ротор). Тем самым, позволяет оптимизировать работу турбокомпрессора на различных оборотах.

Многие автомобилисты ошибочно полагают, что турбокомпрессор начинает включаться в работу с оборотов мотора от 1500-2000 об/мин. На самом деле, он запускается сразу после заводки автомобиля и работает на холостом ходу. А оптимальных оборотов достигает в диапазоне свыше 1500 об/мин.

Турбокомпрессор достаточно надежный агрегат, однако если Вы столкнулись с его поломкой, решить проблему Вам помогут специалисты ТурбоМикрон. Мы производим замену турбины на автомобиле, а также ремонт снятых с авто турбокомпрессоров.

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.

Как проверить турбину дизельного двигателя – признаки надвигающихся проблем

Понять, что схема работы турбины дизельного двигателя нарушена, можно по следующим признакам:

• значительно падает мощность двигателя;
• из выхлопной трубы валит сизый дым;
• повышенный расход масла;
• появляется запах горелого масла;
• двигатель работает неравномерно на холостых оборотах.

Конечно же, лучше придерживаться правил эксплуатации и предотвратить возникновение поломок данной детали, так как восстановление и установка турбины на дизельный двигатель – довольно дорогостоящие процедуры. Кроме того, ее поломка может вызвать и нарушение работы всего двигателя. Самостоятельно такие операции сделать почти невозможно, если вы не автослесарь высшего разряда с собственной мастерской.

Турбина – дорогая часть авто, это отражается на первоначальной стоимости машины еще в салоне, а потом больно ударит по карману в случае ремонта этого агрегата.

Таким образом, следует следить за уровнем и качеством масла в системе смазки и, конечно же, своевременно его заменять, использовать только высококачественные составы. Также нельзя резко набирать обороты, особенно на недостаточно прогретом движке, недопустим засор масляных каналов, так как это способствует возникновению перебоев в подаче смазки, и, безусловно, нужно своевременное охлаждение турбины дизельного двигателя.

Если топливная смесь будет переобогащенной, т. е. больше топлива, чем воздуха, то в таком случае цвет выхлопа будет черным. К тому же характерная особенность этой проблемы в потери мощности. Происходит это из-за нарушения в работе системы газораспределения. Сизый или белый дым выхлопа свидетельствует о попадании моторного масла в камеры сгорания цилиндров. В это же время расход масла значительно увеличивается.

Далее следует проверить ротор и фильтр турбины. Люфт ротора должен быть незначительным, при этом он не должен задевать стенки корпуса. В противном случае требуется оперативный ремонт.

Если фильтр забит грязью и пылью он не сможет пропускать через себя достаточное количество воздуха. В результате в картридже подшипников и в корпусе турбрнагнетателя создаётся разница в давлении, которая выдавливает масло в компрессор.

Случается из-за несвоевременной замены старого масла или фильтра, попадания воды или топлива в смазку, использования некачественного масла. Приводит к износу подшипника, закупорке маслоподводных каналов, повреждению оси. Неисправные детали стоит заменить новыми. Густое масло тоже вредит подшипникам, так как дает осадок и снижает герметичность турбины.

Признаки и неисправности турбокомпрессора

1. Синий выхлопной дым – признак сгорания масла в цилиндрах мотора, попавшего туда из турбокомпрессора или же двигателя. Чёрный — значит, есть утечка воздуха, а выхлопной газ белого цвета указывает на засорение сливного маслоотвода турбонагнетателя.
2. Причиной свиста является утечка воздуха на стыке выхода компрессора и мотора, а скрежет указывает на трущиеся элементы всей системы турбонаддува.
3. Стоит также проверить все элементы турбины на двигателе, если она отключается или вовсе перестала работать.

В основе всех неисправностей турбокомпрессора – три причины

Нехватка и слабое давление масла

Возникает из-за протечки или пережима масляных шлангов, а также вследствие их неправильной установки к турбине. Приводит к повышенному износу колец, шейки вала, недостаточной смазке и перегреву радиальных подшипников турбины. Их придется менять.

Загрязнение масла

Случается из-за несвоевременной замены старого масла или фильтра, попадания воды или топлива в смазку, использования некачественного масла. Приводит к износу подшипника, закупорке маслоподводных каналов, повреждению оси. Неисправные детали стоит заменить новыми. Густое масло тоже вредит подшипникам, так как дает осадок и снижает герметичность турбины.

Попадание постороннего предмета внутрь турбокомпрессора

Приводит к повреждению лопаток компрессорного колеса (следовательно, падает давление воздуха); лопаток турбинного колеса; ротора. Со стороны компрессора нужно заменить фильтр и проверить впускной тракт на герметичность. Со стороны турбины стоит заменить вал и проверить впускной коллектор.

Устройство турбины двигателя автомобиля: 1. компрессорное колесо; 2. подшипник; 3. актуатор; 4. штуцер подачи масла; 5. ротор; 6. картридж; 7. горячая улитка; 8. холодная улитка.

Турбонаддуву приходится работать в далеко не легких условиях: высокая температура, высокие окружные скорости (скорость на концах лопаток, в зависимости от модели т/н, примерно такая же, как у пистолетной пули — около 300 м/сек). Скорости вращения подшипников также близки к предельно допустимым, чтобы снизить их, приходится идти на различные ухищрения. Что же позволяет работать т/н в таких условиях долго и надежно?

Неважно, какая надпись нанесена на ваш автомобиль: «TURBO» или «TWIN TURBO», речь в том и другом случае идет о турбонаддуве. В этой статье речь пойдёт о том, что же такое турбонаддув, как с ним обращаться, чтобы он как можно дольше не доставлял хлопот, и что можно сделать, если эти хлопоты возникнут.

Принципиальных различий в устройстве турбонаддува (далее по тексту — т/н) нет, есть различия в размерах, конструкции некоторых узлов, исполнении т/н. Рассмотрим его работу и устройство на примере одного из самых массовых, хотя и не самого надежного т/н Toyota СТ-20.

Рис.1. Турбокомпрессор в разрезе

1 — улитка компрессора;
2 — корпус;
3 — стопорные кольца;
4 — стяжной хомут;
5 — улитка турбины;
6 — уплотнительное кольцо со стороны турбины (аналогичное есть со стороны компрессора, на рис. его не видно);
7 — колесо турбины;
8 — промежуточные втулки подшипников скольжения;
9 — упорный подшипник скольжения;
10 — колесо компрессора;
11 — гайка.

Турбонаддуву приходится работать в далеко не легких условиях: высокая температура, высокие окружные скорости (скорость на концах лопаток, в зависимости от модели т/н, примерно такая же, как у пистолетной пули — около 300 м/сек). Скорости вращения подшипников также близки к предельно допустимым, чтобы снизить их, приходится идти на различные ухищрения. Что же позволяет работать т/н в таких условиях долго и надежно?

При полужидкостной смазке непрерывность масляного слоя нарушена, и поверхности вала и подшипника на участках большей или меньшей протяженности соприкасаются своими микронеровностями. При граничной системе смазки поверхности вала и подшипников соприкасаются полностью или на участках большой протяженности, разделительный масляный слой здесь вообще отсутствует.

Такая же беда часто случается с т/н Garret, изготовленными в Японии, крайне редко с т/н фирмы Mitsubishi, но никогда не встречалась нам на т/н Nissan Motors. Последние, несмотря на большие неудобства при снятии — постановке и разборке — сборке, поражают своей добротностью. Встречаются они и на тойотовском двигателе MTEU. но уже без надписи Nissan Motors. Заменить их можно турбонаддувом от двигателя VG-20.

При демонтаже надо внимательно и аккуратно обращаться с подающей трубкой масляной системы. Эта трубка имеет очень тонкие стенки, ее легко можно перегнуть, и т/н, сев на голодный масляный паек, работает после такого ремонта очень недолго. Порой хватает 15-20 мин, чтобы окончательно привести в негодность только что отремонтированный или новый агрегат.