Турбированный двигатель: устройство, особенности эксплуатации

Наличие на автомобилях турбированных двигателей обеспечивает первым заметную прибавку к мощности в сравнении с аналогичными моделями, оснащенными «атмосферными» моторами. Подобные агрегаты дополняют устройство как бензиновых, так и дизельных силовых установок.

О турбине

Турбонаддув бывает двух видов: низкого и высокого давления. Первый тип турбины применяется для более качественного смешивания топлива за счет создания турбулентных воздушных потоков в моторах.

Но наиболее эффективным считается турбированный двигатель высокого давления. В сравнении с «атмосферными» моторами того же объема подобные агрегаты развивают примерно в 1,5 раза больше мощности.

Некоторые производители и владельцы устанавливают на автомобили сразу 2 турбины, в результате чего получили малолитражные моторы, способный составить конкуренцию силовым установкам гораздо большего объема.

Рейтинг надежности у турбореактивных двигателей ниже, так как они имеют довольно сложную конструкцию.

В частности, их конструкция дополняется следующими элементами:

• Клапан, предназначенный для устранения избыточного давления, которое способно повредить мотор.
• Интеркулер. Устройство используется для охлаждения воздуха, нагреваемого, когда обороты турбины достигли высокой отметки.

О принципах работы турбокомпрессора

Как работает турбина? Почему нельзя сразу глушить движок, дополненный таким агрегатом? Ответы на эти вопросы важны, так как, зная их, легче соблюдать особенности эксплуатации турбированного двигателя.

Схематично устройство турбины включает в себя следующие элементы:

1. Компрессорный хаузинг, следом за которым располагается компрессорное кольцо, отвечающее за сжатие воздуха.
2. Воздушный фильтр.
3. Задняя пластина компрессора.
4. Шарикоподшипник, установленный на валу.
5. Точки подачи и слива масла.
6. Турбинный хаузинг.
7. Турбинное колесо, за счет которого осуществляется преобразование энергии выхлопных газов в энергию вращения вала.

Важно: воздушный фильтр является основным источником возникновения проблем двигателя с турбонаддувом. Этот элемент рекомендуется регулярно менять.

Принцип работы турбокомпрессора заключается в следующем:

1. Воздух, проходя через воздушный фильтр, пронимает во входное отверстие агрегата.
2. Воздушные массы подвергаются сжатию. Одновременно с этим в них увеличивается уровень содержания кислорода. На данном этапе возникает нагрев воздуха, вследствие чего снижается его плотность.
3. Покидая турбокомпрессор, массы воздуха попадают в интеркулер, где происходит их охлаждение. Последний элемент конструкции также предотвращает возможность детонации топливной смеси в двигателе.
4. На последнем этапе сжатый воздух через дроссель проникает через впускной коллектор в цилиндры мотора.

Как видно, принцип работы подобного двигателя выглядит достаточно простым. Турбодвигатель часть выхлопных газов, возникших вследствие сгорания топливной смеси в цилиндрах, передает обратно в выпускной коллектор турбины. Этот воздушный поток запускает движение вала, на другом конце которого располагается компрессор. В результате последний вновь приступает к сжатию воздуха.

Благодаря чему турбированный двигатель обладает большей мощностью в сравнении с «атмосферным»?

После того как сжатый воздух попадает в цилиндр, в последнем увеличивается уровень содержания кислорода при сохранении прежних параметров цилиндра. Поэтому за один такт сжигается больше топливной смеси, чем в «атмосферном» моторе аналогичного объема.

Правила эксплуатации

До того, как установить турбину на свой двигатель, необходимо уяснить для себя условия пользования подобных агрегатов. Соблюдая их, можно увеличить срок «жизни» моторов.

Правильное эксплуатирование турбированных двигателей предполагает соблюдение следующих рекомендаций:

Регулярно проверять уровень масла

Существует множество советов о том, как правильно эксплуатировать турбореактивные двигатели. Однако главное условие заключается именно в регулярной проверке масла.

Отсутствие смазки ведет к быстрому изнашиванию подшипников турбины, следствие чего она вскоре перестает работать.

Кроме того, быстрый расход масла свидетельствует о наличие проблемы в моторе. Возможно, из строя вышел масляный насос или другая деталь.

При запуске не держать долго педаль газа

Турбированные двигатели достигают максимального давления уже на низких оборотах. Поэтому долго жать на педаль газа. Иначе турбина будет работать на «холостом» ходу, что сокращает срок ее эксплуатации.

Использовать только качественное масло

Некачественное масло — это вторая наиболее распространенная причина быстрого износа турбины. Причем не важно, установлена ли она на бензиновом двигателе, или на дизельном. Более того, подобная смазка негативно влияет и на состоянии мотора.

Необходимо заливать только то масло, которое рекомендует производитель конкретной силовой установки.

Важно также отметить, что тип смазки, применяемой на турбированных моторах, отличается от той жидкости, которая используется на «атмосферных» агрегатах. Это объясняется тем, что в первых создается больший уровень давления, вследствие чего увеличиваются требования к качеству масла. Данное обстоятельство необходимо учитывать при форсировании «атмосферного» движка.

Другая важная особенность эксплуатации турбированных моторов заключается в следующем: Смешивать разные сорта масла нельзя.

Не рекомендуется использовать смазку иной марки, даже если она имеет аналогичные характеристики.

Обязательно проверить состояние мотора после ремонта

В первую очередь необходимо обратить на наличие масла и его состав: жидкость должна быть прозрачной. Следом проверяется работа коленчатого вала при выключенном моторе.

И последнее: нужно запустить движок и продержать его на «холостом» ходе в течение 5-10 минут, внимательно прислушиваясь к нестандартному звучанию, наличию посторонних стуков и тому подобного.

Применять только качественное дизельное топливо

Чтобы дизельный двигатель, оснащенный турбиной, сохранил свои первоначальные характеристики, необходимо приобретать только качественное горючее. Низкосортное топливо имеет множество примесей, которые быстро засоряют топливную систему. В результате снижается уровень мощности, развиваемой двигателем.

Чтобы нивелировать ее падение, турбина начинает работать на пределе собственных возможностей, что провоцирует быстрый износ агрегата.

На морозе двигатель должен поработать на «холостом» ходу

При низких температурах масло становится более вязким. Поэтому рекомендуется запустить турбированный мотор и продержать его на «холостом» ходу, чтобы смазка начала циркулировать внутри агрегата.

Кроме того, турбореактивные двигатели не рекомендуется сразу останавливать на морозе. Прежде чем заглушить, им необходимо некоторое время также поработать на «холостом» ходу. Данная рекомендация объясняется тем, что на высоких оборотах в силовых агрегатах температура поднимается до максимальных значений.

Поэтому резкое выключение мотора может спровоцировать температурный перепад, из-за чего срок эксплуатации установки и турбины снижается.

Регулярно доводить двигатель до высоких оборотов

Турбина должна регулярно работать. Иначе она вскоре выйдет из строя. Рекомендуется хотя бы раз в неделю эксплуатировать двигатель, когда тот работает на высоких оборотах. В результате работы системы наддува происходит процесс ее самоочистки.

Наиболее удачным вариантом эксплуатации турбодвигателя является регулярная езда на средних оборотах.

Достоинства и недостатки

Надежный турбированный мотор — это заслуга его владельца. Только соблюдение условий эксплуатации обеспечит комфортную и длительную езду на автомобиле.

Подводя итог всему, что было приведено выше, нельзя не рассмотреть плюсы и минусы турбированных силовых установок.

Плюсы	Минусы
Высокая мощность мотора	Необходимость прогрева
Малый объем при высокой отдаче	Дорогостоящее обслуживание и высокая цена
Низкий уровень потребления топлива	Сильный нагрев
–	Наличие турбоям

Устройство, преимущества и недостатки турбированных двигателей

Достаточно большая часть современных автомобилей оснащаются турбированными двигателями, что позволяет одновременно улучшить показатели динамики авто, сохранив при этом достаточно небольшой расход топлива. При этом многие автовладельцы попросту не знают, как устроен турбонаддув, как правильно обслуживать такой двигатель и эксплуатировать автомобиль. Поговорим поподробнее об устройстве современного турбонаддува.

Основные преимущества турбинованных двигателей

Первые турбированные моторы стали изначально использоваться в мире автоспорта, где не так была важна надежность, а требовалось выжать из мотора все соки. В последующем уже на гражданских авто появились первые дизельные турбомоторы, которые позволяли несколько улучшить мощностные характеристики таких моторов. В начале двухтысячных годов все больше автопроизводителей начали использовать турбомоторы, которые стали реальной альтернативой для обычных атмосферных двигателей.

Основными преимуществами тубрированных двигателей является следующее:

1. Прекрасные показатели топливной экономичности.

2. Хорошая экологичность моторов.

3. Увеличение мощности.

4. Оптимизация работы мотора.

5. Низкая шумность на минимальных оборотах.

Если же говорить о недостатках турбонаддува, то можно отметить, что максимум тяги достигается на высоких оборотах. Тогда как до оборотов приблизительно 2-3 тысячи водитель может ощущать недостаток мощности, что может существенно затруднить управление автомобилем. На относительно старых турбомоторах также имелся характерный вой турбины, который не добавлял комфорта при использовании машины. Однако на современных моторах такие проблемы уже решены.

Принцип работы наддува

Турбонаддув позволяет выходящим из мотора газам раскручивать лопасти турбины, которая нагнетает воздух в компрессор, создавая нужное давление. Далее такой чистый воздух смешивается с топливом и под высоким давлением поступает в двигатель. В процессе работы турбины ее крыльчатка может раскручиваться до огромной скорости, что предъявляет повышенные требования к устройству системы смазки.

Масло в турбину отбирается из мотора, причем устанавливаются дополнительные охладители, так как рабочая температура в турбине может достигать 900 градусов и выше. Из-за протечек масла и некачественного смазывания подвижных деталей может выходить из строя турбонаддув, после чего требуется выполнять сложный ремонт силового агрегата. Чтобы предупредить подобные критические неисправности, необходимо не только своевременно менять масло, но и поддерживать хорошее техническое состояние турбины.

Одной из особенностей турбонаддува является то, что скорость вращения турбины будет напрямую зависеть от частоты оборотов двигателя. На минимальных оборотах мотора крыльчатка наддува практически не раскручивается, что несколько уменьшает крутящий момент. А вот при высоких оборотах мотора турбина начинает раскручиваться даже до 250 тысяч оборотов в минуту, что позволяет существенно поднять давление в системе.

Воздух, который подается в двигатель, по причине высокого давления начинает быстро нагреваться. Чтобы решить эту проблему устанавливается дополнительный радиатор, что позволяет обеспечить работоспособность всего мотора. При выполнении сервисного обслуживания двигателя мастера часто вскрывают мотор и прочищают охладитель турбонаддува, что исключает его загрязнение и поломки агрегата.

Подведем итоги

В настоящее время все больше автопроизводителей отказываются от использования классических атмосферных моторов, используя на машинах турбированные силовые агрегаты. Такие двигатели обладают рядом преимуществ и в первую очередь мощностью и топливной экономичностью. Конструкция турбины тут достаточно сложна, что объясняется существенными нагрузками, которые приходятся на нее в процессе работы. Упрощенно говоря, состоит нагнетатель из крыльчатки, которая раскручивается выхлопными газами, после чего свежий воздух под высоким давлением и после принудительного охлаждения смешивается с топливом и подается в мотор.

ТУРБОНАДДУВ (ТУРБИНА) ДВИГАТЕЛЯ: ВИДЫ, КОНСТРУКЦИЯ, ПРИНЦИП РАБОТЫ, ПЛЮСЫ И МИНУСЫ

Добрый день, сегодня мы узнаем, что такое турбонаддув (турбина) двигателя внутреннего сгорания, каков принцип работы, конструкция, а также, какими плюсами и минусами обладают системы наддува мотора. Кроме того, в статье мы выясним, какие существуют виды систем наддува двигателя и, чем они отличаются. В заключении мы наглядно рассмотрим типовую схему функционирования турбонаддува силового агрегата.

Как мы знаем, мощность двигателя зависит от количества воздуха и смешанного с ним топлива, которое может быть доставлено в мотор. Если мы хотим увеличить мощность двигателя, необходимо увеличить как количество подаваемого воздуха, так и топлива. Подача большего количества топлива не имеет никакого эффекта до тех пор, пока не будет необходимого для его сгорания количество воздуха, иначе образуется избыток не сгоревшего топлива, что приводит к перегреву двигателя и повышенной непрозрачности или дымности от отработанных выхлопных газов, причем также, как это происходит при масложоре.

1. ОСОБЕННОСТИ И КОМПОНЕНТЫ ТУРБОНАДДУВА ДВИГАТЕЛЯ

Увеличение мощности двигателя может быть достигнуто путем увеличения либо его рабочего объема, либо частоты вращения коленчатого вала. Увеличение смещения увеличивает вес, размеры двигателя и, в конечном счете, его стоимость. Увеличение частоты вращения коленчатого вала проблематично из-за возникших технических проблем, особенно для двигателей с большим объемом.

Технически приемлемым решением проблемы увеличения мощности является использование нагнетателя (компрессора). Это означает, что поступающий в двигатель воздух сжимается перед входом в камеру сгорания. Другими словами, компрессор обеспечивает подачу необходимого количества воздуха, достаточного для полного сгорания увеличенной дозы топлива. Следовательно, при предыдущем рабочем объеме и той же частоте вращения коленчатого вала мы получаем больше мощности.

Существует две основные системы наддува: с механическим приводом, которая отражена ниже на изображении “A” и просто “турбо”, отражена на рисунке “B” (использующие энергию отработавших газов). Кроме того, существуют также комбинированные системы, например, турбо компаундная, отображена на рисунке “в”. Ниже на фото наглядно продемонстрированы вышеописанные системы наддува двигателя.

В случае компрессора с механическим приводом необходимое давление воздуха получают благодаря механической связи между коленчатым валом двигателя и компрессором. Давление воздуха турбокомпрессора достигается за счет вращения потока выхлопных газов турбины. Турбокомпрессор состоит из двух турбин впрыска и привод, соединенный с валом. Вал установлен на двух подшипниках, которые постоянно подается масло, оказывающие охлаждающее и смазочную поддержку.

Обе турбины вращаются в одном направлении и с одинаковой скоростью. Выходящие из цилиндров двигателя отработавшие газы имеют высокую температуру и давление. Они ускоряются до высокой скорости (около 10 000 оборотов в минуту) и соприкасаются с лопастным приводным колесом, и преобразуют свою кинетическую энергию в механическую вращательную энергию (крутящий момент). С такой же скоростью и давлением вращается колесо турбины, которое подает сжатый воздух в двигатель. Разрядное колесо сконструировано таким образом, что уже при небольшом расходе выхлопных газов достигается достаточное давление нагнетаемого воздуха. При полной нагрузке двигатель достигает максимального избыточного давления (от 1,1 до 1,6 атмосфер); при этом обороты двигателя составляют около 2000 оборотов в минуту и остаются постоянными при дальнейшем наборе частоты вращения до максимальной.

Между двигателем и турбокомпрессором имеется соединение только через поток выхлопных газов. Частота вращения турбины напрямую не зависит от скорости вращения коленчатого вала двигателя и характеризуется некоторой инерцией, то есть увеличением подачи топлива, увеличением энергии выхлопного потока, а затем увеличением частоты вращения турбины и напором разряда, а мотор, следовательно, получает больше воздуха в цилиндры, что позволяет увеличить подачу топлива. Ниже на фото продемонстрирована схема типового турбокомпрессора и его основных элементов.

Основные компоненты турбокомпрессора: 1 – трубопровод для подачи сжатого воздуха от турбины к диафрагме; 2 – нагнетательное колесо турбины; 3 – корпус нагнетательного колеса; 4 – промежуточный корпус; 5 – сбрасывающий клапан; 6 – диафрагма; 7 – пружина; 8 – диафрагменная камера; 9 – приводное колесо; 10 – корпус турбонагнетателя; 11, 12 – опоры; А – подача воздуха от воздушного фильтра; B – подача воздуха к впускным клапаном; C – обводной канал сбрасывающего клапана для ограничения давления нагнетания; D – подача отработавших газов от двигателя; E – подача отработавших газов к выпускной системе; H – подача смазки; J – отвод смазки; K – подача сжатого воздуха для открытия сбрасывающего клапана.

2. ПРИНЦИП РАБОТЫ, ПЛЮСЫ И МИНУСЫ СИСТЕМ ТУРБОНАДДУВА

Для предотвращения нарастания давления более, чем необходимо на высоких оборотах двигателя, в компрессоре находится специальное устройство, состоящее из разгрузочного клапана и диафрагмы с пружиной, которое обеспечивает контроль давления и оборотов мотора. Полость перед мембраной связана с давлением поступающего воздуха через трубопровод. С увеличением давления, которое происходит с нарастанием частоты вращения коленчатого вала, диафрагма сгибается, сжимая пружину опуская и открывая клапан. Выхлопные газы таким образом проходят через дополнительный обводной канал с тем, чтобы снизить скорость вращения приводного колеса турбины, а значит и разгрузочного колеса. Повышение давления становится постоянным.

Для двигателей, работающих в широком диапазоне скоростей (например, в легковом автомобиле), высокое давление наддува желательно даже на низких оборотах. Поэтому будущее принадлежит турбокомпрессорам с регулируемым давлением. Небольшой диаметр современных турбин и специальные сечения газовых каналов способствуют уменьшению инерционности, то есть турбина очень быстро разгоняется, и давление воздуха очень быстро достигает требуемого показателя.

Для удовлетворения все возрастающих требований, которые необходимы для автомобильной техники в областях потребления топлива, выбросов выхлопных газов и шума, сегодня проектируются и разрабатываются электронные системы контроля за наддувом.

На первом этапе, исходя из определенного количества параметров, таких как температура охлаждающей жидкости, масла, впускной воздух и выхлопные газы происходит анализ состояния двигателя. Кроме того, измеряются обороты двигателя, положение педали акселератора и другие параметры. Все эти данные анализируются компьютером и используются для определения оптимума в условиях давления наддува на мотор.

На втором этапе значение давления передается исполнительным устройствам, контролирующим этот показатель во впускной системе. При определении этого давления также учитываются критические условия работы двигателя, в частности, детонация. Акустические датчики позволяют определить даже самовозгорание в системах мотора. Давление наддува в этом случае уменьшается. Эта операция повторяется до тех пор, пока детонация не исчезнет. Когда детонация остановится, давление наддува снова возрастет до исходного значения. Компьютер также определяет идеальное давление наддува в случае повторяющейся детонации, возникающей, например, из-за использования некачественного топлива.

Электромагнитный клапан получает электрический сигнал, который определяет время его открытия, и работает, соответственно, как специальный регулятор турбины. Таким образом, мембрана действует не на все давление наддува, а только на ее небольшую часть. Данный момент зависит от положения электромагнитного клапана.

При нажатии на педаль акселератора компьютер выдает команду закрыть клапан и все выхлопные газы заходят в турбину, вызывая повышение давления наддува и мотор развивает значительную мощность, что делает возможным быстро ускориться автомобилю. После достижения желаемой скорости сбрасывающий клапан открывается, и давление наддува становится стандартным. Ниже на фото продемонстрирована принципиальная схема электронного управления турбонаддувом.

Вариантом системы наддува для двигателей легковых автомобилей является волновой нагнетатель воздуха, также известный, как Comprex. Двигатель, управляемый через зубчатый ремень, делится на секции, ротор вращается в цилиндрическом корпусе с торцами прорезных окон для прохождения свежего воздуха и выхода выхлопных газов. Система окон и полостей выполнена особым образом, что позволяет волнам давления выхлопного потока преобразовать под давлением поток свежего воздуха. Ниже на изображении наглядно отображен волновой нагнетатель системы турбонаддува.

Основные элементы волнового нагнетателя системы наддува двигателя: 1 – поток свежего воздуха под высоким давлением; 2 – зубчатый ремень; 3 – поток свежего воздуха под низким давлением; 4 – поршень двигателя; 5 – поток отработавших газов под высоким давлением; 6 – поток отработавших газов под низким давлением; 7 – ротор; 8 – щелевые окна.

Существенным достоинством волнового нагнетателя является непосредственный газодинамический энергообмен между отработавшими газами и свежим воздухом без участия каких-либо промежуточных механизмов. Такой энергообмен происходит со звуковой и сверхзвуковой скоростью. Волновой обменник, как и механический нагнетатель, автоматически реагирует на изменения нагрузки изменением давления наддува. При постоянном передаточном отношении между двигателем и волновым нагнетателем, энергооб­мен оптимален только для одного рабочего режима.

Для устранения вышеописанного недостатка, на торцах корпуса имеется ряд воздушных «карманов» разной формы и размера, благодаря которым диапазон оптимальной работы нагнетателя расширяется. Кроме того, это позволяет достичь благоприят­ного протекания кривой крутящего момента, чего невозможно добиться при помощи других методов наддува.

Нагнетатель волнового типа по сравнению с другими устройствами наддува требует много места для ременной передачи и систем трубопроводов. Это усложняет возможность его установки в подкапотном пространстве автомобиля. Однако для дизельных двигателей используется турбонаддув с изменяемой геометрией турбины, который позволяет ограничить поток выхлопных газов через турбину при высокой частоте вращения коленчатого вала двигателя. Ниже на изображение наглядно продемонстрирован принцип работы волнового турбонаддува.

Основные фазы и компоненты участвующие в работе волнового наддува двигателя: а – положение направляющих лопаток при высокой скорости потока отработавших газов; б – положение направляющих лопаток при низкой скорости потока отработавших газов; 1 – крыльчатка турбины; 2 – управляющее кольцо; 3 – подвижные направляющие лопатки соплового аппарата; 4 – управляющий рычаг; 5 – управляющий пневматический цилиндр; 6 – поток отработавших газов.

Подвижные направляющие лопатки соплового типа изменяют сечение каналов, через которые отработанные газы устремляются на крыльчатку турбины. Они соприкасаются в турбине и происходит выброс газа под давлением с желаемым повышающим коэффициентом. При низкой нагрузке двигателя подвижные лопасти открывают небольшое поперечное сечение каналов, так что повышается давление выхлопа назад. Поток газов в турбине развивается на высокой скорости, обеспечивая высокую скорость вала нагнетателя. Поток выхлопных газов действует на более удаленную от оси вала область лопаток крыльчатки турбины.

Таким образом, имеется большая моментная нагрузка на рукоятку, которая увеличивает крутящий момент. При высокой нагрузке направляющие лопатки открывают большее поперечное сечение каналов, что снижает скорость течения потока выхлопных газов. В результате этого турбо нагнетатель при равном количестве выхлопных газов меньше ускоряется и работает с меньшей частотой при большем количестве газов. Этот метод ограничивает давление наддува. Поворачивая кольцо управления, он изменяет угол наклона лопастей, которое устанавливаются под определенным углом либо непосредственно отдельным рычагом управления, установленным на лопастях, или при помощи поворотных камер.

В свою очередь поворотное кольцо осуществляет управление пневматическим цилиндром под действием вакуума или давления воздуха и в качестве альтернативы, с помощью положения обратной связи двигателя лопастей (датчика положения) их открывает. Открытый нагнетатель с изменением геометрии находится в определенном положении и поэтому безопасен, то есть в случае отказа управления ни он, ни двигатель не повреждаются. Однако могут возникать потери, но только от производительности и при низких частотах вращения коленчатого вала.

В заключении отметим, что турбонаддув — это определенный тип наддува, при помощи которого воздух в рабочую область цилиндров нагнетается под сильным давлением за счет использования энергии отработанных газов. Турбонаддув используется на бензиновых и дизельных двигателях. Наиболее эффективен в сочетании с дизельным мотором вследствие высокой степени сжатия газов в двигателе и довольно невысокой частоты вращения вала коленчатого типа. Однако сдерживающими факторами использования и применения систем наддува двигателей на бензиновых моторах являются моменты, связанные с наступлениями детонаций, которые возникают в связи с резким повышением частоты вращения двс. Кроме того, при работе на высоких температурах с отработанными газами может происходить сильный перегрев системы наддува мотора, что в свою очередь приводит к выходу из строя самой турбины автомобиля.