ЧТО ТАКОЕ ТУРБИНА И КАК РАБОТАЕТ ТУРБО МОТОР Часть 1.
Основы турбо-наддува. Часть 1.
Основные принципы работы турбо двигателя.
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.
Когда включается турбина и как она работает: развенчиваем мифы
Для увеличения мощности в двигателе внутреннего сгорания используется система турбонаддува. Как работает турбонаддув? Когда включается турбина? Какие существуют мифы о работе турбонаддува среди водителей? В статье эти вопросы будут рассмотрены.
Как работает турбина (турбонаддув) на автомобиле
Турбина (турбонаддув) – это вспомогательная запчасть двигателя внутреннего сгорания, которая осуществляет принудительную подачу воздуха в рабочую область движка. Благодаря использованию турбины увеличивается мощность движка, что позволяет водителю развивать более высокие скорости при сохранении потребления топлива в нормальных пределах. Чтобы разобраться с тем, как именно работает подобное устройство, давайте вспомним основные принципы работы ДВС:
Увеличить подачу кислорода напрямую у водителя не получится. Самой простой способ решить эту проблему – увеличить объем камер внутреннего сгорания. Однако в таком случае увеличатся габариты машины, а также возрастут расходы топлива, что увеличит денежные расходы водителя на ТС. Но есть и другой выход – использование турбины:
На новых автомобилях, которые оборудованы системой турбонаддува, имеется наклейка с надписью Turbo. Это позволяет отличить обычный движок от устройства с турбиной.
При каких оборотах “включается” турбина (турбоподхват)
Многие водители убеждены, что турбина включается только на высоких оборотах, поскольку на низких влияние турбонаддува на движение они не ощущают. Это полуправда – на самом деле турбина на машине работает постоянно, однако при низких оборотах нагнетание слабое. Рассмотрим его более внимательно:
Обратите внимание! Многие турбины оборудуются клапаном-предохранителем, который блокирует работу устройства при очень высоких оборотах (красная зона тахометра). Это делается для того, чтобы не испортить двигатель.
Почему турбина может не включиться – неисправности
При управлении машиной с системой турбонаддува водитель может столкнуться с множеством проблем и неисправностей. Рассмотрим основные проблемы и методы их решения:
Мифы о турбонаддуве в двигателе
Среди водителей много мифов о работе системы турбонаддува. Рассмотрим основные стереотипы и узнаем, почему они ложные:
| Миф 1 – систему турбонаддува можно снять в любой момент без негативных последствий | Конструкция и объемы камеры ДВС адаптированы под применение турбины. Если демонтировать это устройство, уменьшается крутящий момент и мощность движка, а расходы топлива увеличиваются |
| Миф 2 – двигатели с турбонаддувом ломаются гораздо чаще атмосферных | Движки с турбиной имеют такой же срок годности, что и обычные атмосферные двигатели. Чтобы снизить риск растрескивания движка при высоких скоростях, они дополнительно усиливаются металлическими листами-вкладышами в проблемных местах |
| Миф 3 – турбина быстро выходит из строя, ее придется часто менять | Согласно современным стандартам срок годности турбины аналогичен или даже немного превышает срок годности самого ДВС. При соблюдении базовых правил вождения и ухода турбонаддув будет работать столько же, сколько и сам автомобиль |
| Миф 4 – за турбиной нужен специальный бережный уход, чтобы она не ломалась | Чтобы турбонаддув работал долго, достаточно будет придерживаться базовых правил эксплуатации авто. А именно – вовремя меняйте масло, следите за уровнем давления в движке (не доводите до красной отметки), вовремя устраняйте неисправности |
На самом деле турбина работает всегда, но при небольших оборотах уровень нагнетания воздуха будет низок из-за турбоподхвата.
Подведем итоги. Турбина (турбонаддув) – это вспомогательный элемент двигателя, с помощью которого осуществляется принудительное нагнетание воздуха в камеру внутреннего сгорания двигателя. Устройство запускается сразу же после активации двигателя, но действует правило – чем выше обороты, тем больше нагнетание (на низких оборотах нагнетание практически незаметно). Основные проблемы с турбиной – выход из строя клапана, негерметичное крепление запчасти, использование некачественного масла.
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.
Так ли страшна турбина? Как правильно ездить с турбомотором и сколько может стоить ремонт
В России панически боятся турбированных моторов, предпочитая менее мощные и эффективные «атмосферники». Разбираемся, как не «убить» турбину раньше срока и во сколько встанет ее обслуживание или замена.
В нашей прошлой публикации мы уже сравнивали турбированный и атмосферный моторы, пытаясь понять, в чем их отличие и какой из них лучше выбрать. Допустим, что вы уже приобрели машину с наддувным двигателем или вот-вот собираетесь ее купить.
Как устроена турбина?
В общем-то, турбокомпрессор устроен просто. Главная деталь — это картридж. Внутри него размещается вал, а с двух противоположных концов к этому валу прикреплены турбинные колеса. Для того чтобы вал нормально вращался и не грелся, к нему под давлением подается моторное масло. Также к картриджу идет и трубка с антифризом для дополнительного охлаждения.
По бокам к корпусу картриджа прикреплены две «улитки» — горячая и холодная, внутри которых вращаются турбинные колеса. В горячую поступают выхлопные газы, раскручивают колесо, а затем «улетают» в выхлопную трубу через боковое отверстие улитки. Турбоколесо в холодной улитке всасывает чистый атмосферный воздух из впускного тракта и гонит его под сильным давлением дальше во впускной тракт к цилиндрам мотора.
Такова общая схема турбины, и мы не будем сейчас вдаваться в тонкости конструкции и различные варианты компоновки. Впрочем, стоит упомянуть новое поколение турбин, где масло подается под более низким давлением, а вал вращается в очень дорогих и сверхпрочных шариковых подшипниках.
Будет ли турбина «есть» масло?
Как мы уже говорили, без масла турбина работать не может. Обычно для герметизации вращающихся валов используют резиновые сальники (как в двигателе и коробке передач), но никакие сальники не смогут выдержать режимы работы турбины. Рабочая температура в ней достигает тысячи градусов, а частота вращения валов — сотен тысяч оборотов в минуту. Это намного более суровые условия, чем в моторе.
Валы и втулки в турбине подогнаны друг к другу с очень высокой точностью, и за счет этого масло не должно сочиться сквозь них, если турбина исправна. Но как только зазоры увеличиваются, масло через «холодную» часть турбины засасывает во впускной коллектор двигателя вместе с нагнетаемым воздухом. В таких случаях говорят, что «турбина гонит масло».
Из-за чего это происходит?
Каков ресурс турбины?
Здесь все очень индивидуально и зависит от стиля езды. В среднем на бензиновых двигателях ресурс турбины составляет 150 тысяч километров. На дизельных двигателях — 250 тысяч километров. Однако если ездить быстро, перекручивая двигатель и турбину, то ресурс может сократиться и до 100, и до 60 тысяч.
Как понять, что турбина просится в ремонт?
Главный признак скорой кончины турбины — синеватый дым из выхлопной трубы. Его появление означает, что в цилиндрах вместе с топливовоздушной смесью сгорает масло. Весьма вероятно, что во впуск это масло попало именно через турбину. Чтобы провести диагностику, не нужно обладать дипломом автослесаря. Достаточно иметь книжку по устройству автомобиля, где нарисовано расположение узлов под капотом, и немного свободного времени.
Еще иногда на приборной доске турбированных автомобилей есть указатели температуры и давления турбины. Соответственно температура не должна быть повышенной, а давление — пониженным.
Все эти советы обязательно нужно учесть, если вы покупаете турбированную машину с пробегом. Турбина — вещь дорогостоящая, и ее дефект может обернуться для вас, как для будущего владельца, крупными затратами.
Сколько стоит ремонт турбины и что в ней ремонтируется?
Когда турбина выходит из строя, можно пойти тремя путями.
Поменять турбину целиком. Чаще всего это совершенно лишняя затея, потому как масло гонит картридж, а корпуса-«улитки» остаются целыми и менять их не нужно. Замену турбины в сборе любят предлагать официальные дилеры и мультибрендовые сервисы, мастера на которых плохо разбираются в турбинах и ставят задачу получить с клиента максимум денег.
Почем? Cнятие, отсоединение трубок подачи масла и антифриза и установка турбины обратно стоит около 4 000 – 5 000 рублей.
Поменять картридж турбины. Под замену идет исключительно сам рабочий элемент турбокомпрессора — корпус с валом и крыльчатками. Поменять готовый картридж может даже мастер, который не специализируется на турбинах. Задача состоит в том, чтобы открутить несколько гаек крепежа, а потом закрутить их обратно.
Почем? Стоимость картриджа с заменой — около 15 000 – 20 000 рублей.
Отремонтировать картридж. Такая работа под силу исключительно мастерам специализированных автосервисов. Турбину разбирают полностью, моют ультразвуком, выявляют изношенные элементы и меняют их. Корпус картриджа растачивают на токарном станке, а затем всю конструкцию балансируют в два этапа, чтобы на скорости до 150 – 200 тысяч оборотов в минуту не было вибрации. Затем еще в картридж закачивают под давлением масло, чтобы проверить на герметичность.
Почем? Цена ремонта турбины зависит от массы факторов и колеблется от 7 000 до 25 000 рублей. Важно понимать, что если мастера называют серьезную сумму, то зачастую проще купить новую турбину.
Расценки на новые и восстановленные турбины разных производителей
Стоимость новой, руб.
Стоимость восстановленной, руб.
Стоимость аналогов, руб.
Volkswagen Passat (1998-2005), Audi A4 (1999-2008), Audi A6 (1998-2005)
Volkswagen Crafter, Saab 9-5, Subaru Forester
дизельные Ford Mondeo (2007-2014), Ford S-Max (2007-2014)
Обратите внимание: автомобильные концерны практически никогда не разрабатывают турбины самостоятельно и чаще всего прибегают к помощи компаний, которые на этом специализируются (например, KKK, Borg Warner или Garrett). При этом та же турбина Garrett 760774-5003S под брендом Ford будет стоить в полтора-два раза дороже, чем под собственным именем. Мораль такова: прежде чем платить огромные деньги за «оригинальные» запчасти, узнайте, кто их поставляет производителю и заказывайте у них.
Как нужно ездить, чтобы продлить жизнь турбине?
Понятное дело, что чем активнее ездить, тем быстрее турбина придет в негодность. Но, помимо этой очевидной зависимости, есть еще несколько полезных советов.
У каждого мотора есть свои нюансы. Если хотите максимально обезопасить себя от преждевременной смерти турбины, узнайте эти тонкости у специалистов. При покупке новой машины помогут мастера дилерского центра, а если берете подержанную, то обратитесь на специализированную СТО, которая занимается конкретно этой маркой. Также весьма полезным будет поговорить с мастерами автосервиса, ремонтирующими турбины.