Принцип работы турбины на бензиновом и дизельном двигателе

Работа турбокомпрессора на дизельном двигателе

Работа осуществляется по следующие схеме:

1. Компрессор нагнетает сжатый атмосферный воздух.
2. Воздушная масса смешивается с топливом и поступает в цилиндры.
3. Полученная топливно-воздушная смесь воспламеняется, что приводит поршни в движение.
4. Параллельно с этим процессом появляются отработанные газы, которые направляются в выпускной коллектор.
5. Скопившиеся в корпусе газы значительно увеличивают скорость.
6. Вращение переходит (по валу) на компрессорный ротор, он втягивает новую порцию воздуха.

Получается интересное взаимодействие. Ротор вращается быстрее — больше поступает воздуха. Чем больше воздуха поступает — тем быстрее вращается ротор.

Преимущества и недостатки турбированного мотора

Главным преимуществом любого бензинового мотора, оснащённого турбиной является увеличение его мощности на 20-30%. При одинаковом объёме с традиционным атмосферным ДВС его мощность выше на треть. Эффективность использования топлива существенно повышается.

Максимальный уровень сгорания топливно-воздушной смеси позволяет существенно снизить выброс загрязняющих веществ в окружающую среду. Максимальное использование турбированных моторов повсеместно настоящая мечта защитника окружающей среды. На этом преимущества турбированного мотора заканчиваются.

Турбированные моторы очень требовательны к качеству используемого топлива и моторного масла. Всё это в совокупности приводит к увеличению расходов на использование автомобиля в долгосрочной перспективе. Обслуживание турбированного мотора потребует от водителя больших расходов денежных средств.

Ремонт турбины требует использования специального оборудования и материалов. Самостоятельно его выполнить очень проблематично. Зачастую век отремонтированной турбины недолог и в конечном итоге потребуется её замена. Это может ощутимо ударить по кошельку владельца машины.

Турбонаддув

Турбонаддув – это система, позволяющая увеличить максимальную мощность двигателя, используя для этого энергию выхлопных газов. 

Первые турбины хотя и давали весьма ощутимую прибавку в мощности, но из-за своей громоздкости во много раз увеличивали и без того немаленький вес двигателей автомобилей тех лет.

Конструкторы со временем усовершенствовали технологию, сделав элементы системы более легковесными, одновременно повысив ее производительность. Но одним из существенных недостатков оставался повышенный расход топлива.

Конструкторам удалось решить одну из главных проблем турбодвигателя – расход топлива, ведь, как известно, дизельный агрегат менее «прожорливый», чем бензиновый.

Еще один несомненный плюс дизельного топлива – его отработанные газы имеют температуру ниже, чем бензиновые, стало быть, основные агрегаты системы турбонаддува можно было производить из менее тяжеловесных и жаростойких материалов. 

Как управляется турбина?

Турбина – это всегда компромиссное решение

Например, для гражданского дизелька важно иметь хорошую тягу на низах. Для этого производители создают турбокомпрессоры, роторы которых раскручиваются до высоких рабочих оборотах при низкой скорости работы мотора

Но что случится с такой турбиной, если водитель решит выкрутить мотор до отсечки? В этом случае она может выйти на запредельную скорость работы, возникнет т так называемый «передув», от которого не будет хорошо ни самой турбине, ни двигателю. Как быть? Нужно управлять производительностью турбины!

Самое простое решение заключается в использовании перепускного клапана (байпас, уэстгейт). Этот клапан открывается по достижении максимального значения наддува, и отработавшие газы через него уходят прямо в выхлопную систему, минуя колесо турбины. Просто, надежно, но не слишком гибко. За открытие клапана отвечает пневматический актуатор.

Более гибкое решение заключается в управлении направлением потока выхлопных газов. Для этого в «улитке» горячей части на пути потока газов устанавливаются лопатки, угол атаки которых регулируется. На невысоких оборотах, когда газов мало, угол атаки лопаток большой: они буквально направляют и отклоняют газы на лопасти турбины. Когда давление наддува вырастает, мощность мотора и количество производимых выхлопных газов вырастает, лопатки становятся вдоль потока газов, не оказывая на них никакого направляющего воздействия. Такое решение называется «управляемой геометрией». За управление положением лопаток отвечает пневматический привод, либо электронный с сервомотором. Последний точнее, но в случае чего с ним больше хлопот в плане ремонта и калибровки.

Здесь же упомянем, что перепускные клапаны используются на турбинах бензиновых и дизельных моторов. А управляемая геометрия – это удел турбин дизельных двигателей. Лишь на оппозитных турбобензиновых моторах спортакоров Porsche используются турбины с управляемой геометрией. Дело в том, что температура выхлопных газов бензиновых моторов очень высока и использование лопаток с непростым механизмом привода требует использования дорогостоящих жаропрочных сплавов.

Также на высокооборотистых и мощных двигателях используется перепускной клапан во впускном коллекторе. Он служит для сброса избыточного давления наддува в тех случаях, когда, например, после интенсивного разгона водитель отпускает акселератор (при этом дроссель закрывается), а поток и давление воздуха во впуске очень высоко. В этом случае воздух необходимо стравить, иначе нагрузка на крыльчатку компрессора и ротор в целом критически возрастет.

Виды турбин: втулочные и шарикоподшипниковые турбины

Турбины втулочного типа были  сильно распространены достаточно долгое время. Они имели ряд конструктивных недостатков, которые не позволяли в полной мере наслаждаться преимуществами турбомотора.  Появление более эффективных шарикоподшипниковых турбин нового поколения постепенно вытесняет втулочные решения. Для примера можно упомянуть шарикоподшипниковые турбины Garrett, которые являются венцом инженерной мысли и используются на многих гоночных двигателях.

На сегодняшний день шарикоподшипниковые турбины являются оптимальным решением, так как требуют значительно меньшего количества масла сравнительно с втулочными аналогами. Учтите, что установка масляного рестриктора на входе в турбокомпрессор является очень желательной, особенно если давление масла в системе находится на отметке выше 4 атм. Осуществлять слив масла необходимо путем специального подвода в поддон, причем с учетом того, что слив должен быть выше уровня масла.

Всегда помните, что слив масла из турбины происходит самостоятельно и под действием силы гравитации. Знание этого диктует необходимость ориентирования центрального картриджа турбины так, чтобы слив масла был направлен вниз.

Тот показатель, который определяет реакцию турбины на нажатие педали газа, демонстрирует  сильную зависимость от самой конструкции центрального картриджа турбины. Шарикоподшипниковые решения от Garrett способны на 15% быстрее выйти на наддув сравнительно с втулочными аналогами. Шарикоподшипниковые турбины снижают эффект турбо-ямы и делают использование турбомотора максимально похожим на езду с таким атмосферным двигателем, который имеет большой рабочий объем.

Шарикоподшипниковые турбины имеют еще один положительный момент. Такие турбины требуют заметно меньшего потока масла,  которое проходит через картридж и осуществляет смазку подшипников. Решение ощутимо снижает вероятность возникновения утечки масла через сальники. Шарикоподшипниковые турбины не являются излишне требовательными к качеству масла, а также менее подвержены закоксовке после плановой или внезапной  остановки двигателя.

Профилактика

Чтобы не задаваться вопросом, как проверить турбину, нужно знать меры профилактики. Несколько простых советов, отмеченных ниже, значительно продлят срок службы вашему элементу:

• Придерживайтесь регламента замены воздушного фильтра. В половине случаев повышенный расход масла и другие проблемы с турбиной возникают именно из-за грязного фильтра. И если на атмосферных двигателях просто пропадет тяга, то здесь будет перегружен весь механизм (а именно компрессор, из-за разницы давлений во впуске и выпуске).
• Следите за уровнем масла. Даже кратковременное «голодание» очень вредно для двигателя и турбины. Заливайте только рекомендованное производителем масло. Часто поломки возникают из-за применения поддельной продукции. Что касается регламента замены, он немного отличается от обычных, атмосферных двигателей. На турбированных моторах масло меняется раз в 7 тысяч километров.
• Контролируйте величину наддува. Особенно это касается тех, кто ставит турбину нештатно на бензиновые двигателя. Данный параметр должен находится в пределах одного бара. Помните, что с каждым увеличением «буста» мотор терпит колоссальные нагрузки.

Перед тем как глушить мотор после поездки, дайте ему поработать 1-2 минуты на холостых. Так вы исключите углеродный осадок, который вредит подшипникам турбины.

Как работает турбина на бензиновом двигателе?

Турбина бензинового мотора за счёт использования компрессора принудительно нагнетает в цилиндры массу воздуха. Значительно повышается обогащение кислородом топливно-воздушной смеси и улучшается сгораемость бензина. Коэффициент полезного действия существенно возрастает. Эффективность работы мотора увеличивается при неизменно объёме. Мощность двигателя при использовании турбины возрастает прямо пропорционально количеству сжигаемого за единицу времени бензина. Для обеспечения максимального быстрого сгорания топлива в цилиндрах мотора необходим значительный объём воздуха. Именно его в достаточном количестве направляет турбина за счёт работы компрессора. Он принудительно подаётся в цилиндры, обогащая топливно-воздушную смесь.

Корпус подшипников.

Служит для размещения ротора, представленного валом несущим на себе турбинные и компрессорные кольца, оборудованные лопастями. Именно они при вращении захватывают воздуха и направляют его в цилиндры мотора.

Масляные каналы.

Пронизывают корпус турбины словно кровеносные сосуды на теле человека. Служат для своевременной доставки моторного масла к трущимся и вращающимся элементам. Снижают тем самым износ рабочих элементов бензиновой турбины.

Подшипник скольжения.

Его главная задача обеспечить свободное и плавное вращение ротора турбины с его лопастями для захвата достаточного количества воздуха. Его смазку и охлаждение обеспечивает циркулирующее в турбине моторное масло.

Корпус.

Корпус турбины, имеющий форму улитки обеспечивают защиты от внешних механических воздействий рабочие элементы устройства для нагнетания воздуха.

Привод турбины бензинового мотора осуществляется за счёт подачи отработанного газа энергия которого заставляет ротор вращать лопасти. Сложного в конструкции и работе ничего нет всё понятно и достаточно просто.

При запуске бензинового мотора отработанные газы и цилиндров мотора направляются прямиком в турбину. Они приводят в движение ротор, отдавая ему свою энергию. Далее, через приёмную трубу они поступают в глушитель и выводятся в окружающую среду.

Вал ротора раскручивает колесо компрессора и лопаточное колесо. Они захватывают воздух из окружающей среды, поступающий через воздушный фильтр мотора. Он принудительно подаётся в цилиндры двигателя. Компрессор турбины может повышать давление воздуха до 80%.

Работа турбины бензинового мотора позволяет обогащённую кислородом топливно-воздушную смесь наполнять цилиндры в большом количестве. Объём мотора остаётся неизменным, но его мощность существенно возрастает. В среднем использование турбины даёт возможность увеличить мощность силовой установки машины на 20-30%.

Увеличение плотности воздуха в турбине

Для увеличения плотности воздуха используется турбина (турбокомпрессор с наддувом) с промежуточным охладителем, который выполняет функцию охлаждения сжатого воздуха. Эта конфигурация позволяет вводить большее количество кислорода в камеру сгорания, что, в свою очередь, позволяет заливать большую массу топлива. Так увеличивается мощность двигателя авто.

Но важно понять пошаговые принципы работы автомобильной турбины. Итак, турбокомпрессор состоит из двух основных элементов: компрессора и турбины

Они состоят из рабочего колеса, заключенного в корпус в форме улитки, который может вращаться на значительном числе оборотов. Компрессор и турбина вращаются с одинаковой угловой скоростью, поскольку они выполнены как одно целое через шпиндель.

Принцип работы автомобильной турбины – схема

Турбина здесь в роли интеллектуального устройства, поскольку оно восстанавливает кинетическую энергию выхлопных газов (в противном случае они будут потеряны), превращая их в механическую энергию, полезную для привода крыльчатки компрессора. Следовательно, сжатый воздух вводится во впускной коллектор, обеспечивая невозможный (в противном случае) объем воздуха для безнаддувного двигателя

Не менее важной является функция, выполняемая интеркулером, поскольку сжатый воздух имеет тенденцию повышать свою температуру, а теплообменник (интеркулер) позволяет снизить её и увеличить плотность воздуха

Схема и принцип действия газотурбинного двигателя

Газотурбинным двигателем (ГТД)  называют тепловую машину, в которой энергия топлива преобразуется в кинетическую энергию струи и в механическую работу на валу. Основными элементами ГТД являются компрессор, камера сгорания и газовая турбина.

Принцип действия ГТД следующий.

1. Воздух из атмосферы поступает в компрессор (сечение «В-В»), где происходит сжатие воздуха (плотность, давление и температура возрастают). Если компрессор идеальный, то сжатие воздуха осуществляется в адиабатном процессе (  ), показатель адиабаты к=1.4.

Отношение давления воздуха на выходе из компрессора к давлению на входе называется степенью повышения давления в компрессоре:  .

2. Из компрессора (сечение «К-К») воздух поступает в камеру сгорания, где при постоянном давлении происходит подвод тепла к потоку воздуха при горении топлива. В результате подогрева в камере сгорания газ на её выходе имеет высокую температуру. Отношение температуры газа на выходе из камеры сгорания к температуре атмосферного воздуха называется степенью подогрева воздуха в двигателе:  .

3. Из камеры сгорания газ поступает в турбину (сечение «Г-Г»), где происходит расширение газа (плотность газа уменьшается). Если турбина идеальная, то процесс расширения принимается адиабатным. Показатель адиабаты газа равен 1.33.

4. Из турбины (сечение «Т-Т») газ направляется в выходной канал двигателя. Таким образом, ГТД представляет собой открытую термодинамическую систему, в которой реализуется цикл Брайтона.

Чем отличается проверка на бензиновом двигателе

На бензиновых автомобилях скорый выход из строя турбины можно определить по тем же признакам. Здесь выхлоп становится синего или белого цвета при разгоне машины. В случае появления утечек воздуха в нагнетающих каналах или при неисправности топливной системы, появляется черный дым. Белый выхлоп с запахом горелого масла просигнализирует об утечки смазки в систему выхлопа. Может быть вызвано повышенным осевым люфтом, стопорные кольца не удерживают давления масла. В случае попадания масла в выхлопную систему, на горячем колесе турбину будет образовываться нагар, это впоследствии приведет к дисбалансу агрегата с последующим разрушением корпуса подшипника.

Турбокомпрессор

Принцип работы турбокомпрессора сводится к следующему:

• при попадании в мотор топливовоздушной смеси происходит ее сгорание, которая затем выходит через выхлопную трубу. В начале выпускного коллектора установлена крыльчатка, крепко соединенная с другой крыльчаткой, расположенной во впускном коллекторе;
• поток выходящих из двигателя выхлопных газов раскручивает крыльчатку, находящуюся в выпускном коллекторе, которая в свою очередь приводит в движение крыльчатку, установленную на впуске;
• в мотор поступает большее количество воздушной массы, в него подается больше топлива. 

Лучшие инструкторы по вождению:

Конструктивные особенности

Несмотря на то, что турбонаддувные системы у различных производителей имеют свои отличия, существует и ряд общих для всех конструкций узлов и агрегатов.

В частности, любая турбина имеет воздухозаборник, установленный непосредственно за ним воздушный фильтр, заслонку дросселя, сам турбокомпрессор, интеркулер, а также впускной коллектор. Элементы системы соединяются между собой шлангами и патрубками, выполненными из прочных износостойких материалов.

Как наверняка заметили читатели, знакомые с конструкцией автомобиля, существенным отличием турбонаддува от традиционной системы впуска является наличие интеркулера, турбокомпрессора, а также конструктивных элементов, предназначенных для управления наддувом.

Турбокомпрессор или, как его еще называют, турбонагнетатель, представляет собой основной элемент турбонаддува. Именно он отвечает за увеличение давления воздуха во впускном тракте двигателя.

Конструктивно турбокомпрессор состоит из пары колес – турбинного и компрессорного, которые размещаются на роторном валу. При этом каждое из этих колес имеет собственные подшипники и заключено в отдельный прочный корпус.

Механические нагнетатели

Механические нагнетатели стали использоваться еще до разработки классического турбонаддува. Достаточно часто такие турбины называют суперчарджерами или компрессорами. Это устройство располагается обычно в развале блока цилиндров, а лопасти ротора вращаются за счёт ременного или цепного привода с коленвалом. Забор воздуха осуществляется через соответствующий фильтр, после чего винтообразным ротором сжимается, охлаждается в интеркулере и подается в цилиндры.

Основным преимуществом такого механического нагнетателя в сравнении с классическим турбонаддувом является получение необходимой мощности двигателя даже на холостых оборотах. Турбояма у таких моторов не отмечается, при этом вся конструкция нагнетателя не отличается сложностью, соответственно, она надежна и долговечна.

В то же время необходимо сказать, что использование нагнетателей ограничено самим принципом работы таких агрегатов. Дело в том, что привод нагнетателя выполняется напрямую от коленвала, соответственно на этом отбирается часть мощности двигателя. То есть, увеличивать размер нагнетателя и его давление не имеет смысла, так как чем больше будет ротор у данного устройства, тем сложнее его раскрутить, и тем больше будет отобрано мощности у двигателя на привод нагнетателя.

Конструктивные элементы системы

Для осуществления возложенных функций, система турбонаддува состоит из двух основных частей:

Компрессор служит для нагнетания атмосферного воздуха в систему подачи топлива. Он состоит из корпуса и расположенной в нем крыльчатки, которая, вращаясь, всасывает воздух. Чем выше ее скорость вращения, тем больше объем принятого воздуха. Увеличению скорости способствует работа турбины.

Она также состоит из корпуса с крыльчаткой (ротором), которая приводится в движение выхлопными газами. В корпусе газы проходят через специальный канал, имеющий форму улитки, что позволяет им увеличить скорость.

Принцип работы автомобильной турбины

Как уже писалось выше, принцип действия турбонаддува в автомобиле основывается на использовании энергии, выделяемой отработавшими газами двигателя. Газы вращают колесо турбины, которое, в свою очередь, через вал передает крутящий момент колесу компрессора.

Видео — принцип работы двигателя с турбонаддувом:

Тот, в свою очередь, сжимает воздух и осуществляет его нагнетение в систему. Охлаждаясь в интеркулере, сжатый воздух попадает в цилиндры двигателя и обогащает смесь кислородом, обеспечивая эффективную «отдачу» мотора.

Собственно, именно в принципе действия турбины в автомобиле кроются ее достоинства и недостатки, устранить которые инженерам весьма непросто.

Что в итоге

Помните, в начале статьи мы говорили о том, что доля турбомоторов на рынке в последнее время заметно возросла. Да, это так, но исключительно благодаря турбодизельным агрегатам. Практически любой современный дизельный двигатель сегодня оборудован турбонаддувом. Дело в том, что именно турбина позволяет дизельному мотору обеспечить достойные эксплуатационные характеристики в сочетании с высокой топливной экономичностью. По этой причине турбодизели пользуются огромной популярностью.

Однако, ситуация с турбобензиновыми агрегатами несколько иная. Подавляющее большинство производителей продолжают выпускать модели в сегментах от «бюджет» до «премиум» с простым атмосферным двигателем. Только в отдельных случаях в линейку добавляются турбированные бензиновые версии. Что касается стран СНГ, авто с турбонаддувом на бензине продолжают заметно уступать машинам с атмосферными бензиновыми ДВС по общему количеству на дорогах. Причин для этого много, начиная от низкого спроса в результате высокой начальной стоимости «надувных» бензиновых авто и заканчивая политикой автодилеров. Последние стараются избавить себя от гарантийных обязательств перед потребителем в случае возникновения проблем с более сложной технически турбированной бензиновой машиной.

Другими словами, турбобензиновые версии завозятся намного реже, так как продавцы учитывают низкое качество горючего и недостаточное количество квалифицированных технических специалистов по ремонту и обслуживанию таких авто на территории СНГ. Добавим, что подавляющее большинство турбированных бензиновых автомобилей на отечественных дорогах представлены моделями немецкого концерна WAG (Audi, Volkswagen, Skoda и т.д.).

Подводя итоги, ответим на еще один важный вопрос. Многие автолюбители интересуются, стоит ли покупать бензиновый автомобиль с турбиной. Если вы присматриваете новую машину, планируете проездить на ней условные 3-5 лет или 100-150 тыс. км, тогда почему бы и нет. Только будьте готовы изначально переплатить за более «продвинутый» мотор и с самого начала приучите себя к мысли, что такому авто требуется частое плановое обслуживание. При этом крайне желательно выполнять регламентные работы и ремонтировать машину в официальном сервисе со всеми вытекающими допрасходами.

Если же вы хотите приобрести подержанный турбированный автомобиль, в таком случае нужно более чем основательно подумать. В случае с дизелем будет необходима глубокая диагностика состояние самого ДВС и готовность заменить изношенную турбину. Когда речь заходит о бензиновых версиях, тогда нашим ответом будет практически однозначное «нет». Дело в том, что актуальная ситуация на рынке турбобензиновых автомобилей б/у достаточно сложная.

Всегда помните о небольшом ресурсе турбины

В том случае, если на конкретной модели их установлено сразу две или более, сумма ремонта заметно возрастает.
Обращайте внимание на пробег и предыдущих владельцев. Зачастую турбоавтомобили берут «гонщики» или амбициозная молодежь

Если первые целенаправленно «укатывают» мощную машину, вторые, как правило, попросту не обслуживают такой автомобиль должным образом и достаточно небрежно его эксплуатируют.

В обоих случаях получается целесообразнее продать машину с пробегом 100-150 тыс. км. другому владельцу по бросовой цене, чем ремонтировать или менять высокотехнологичный турбированный двигатель. То же самое вполне справедливо и для турбированных малолитражек, например, с рабочим объемом 1.2 литра. Моторы данного типа и вовсе считаются «одноразовыми», так как имеют относительно небольшой ресурс около 150-200 тыс. км. и плохо поддаются серьезному ремонту.

Похожие записи:

Сколько масла нужно заливать в коробку передач и где оно заливается Индекс нагрузки шин Alfa romeo stelvio 2020-2021 Стекло триплекс Обновленный кроссовер lexus rx 350 2016 года Лучшие бюджетные кроссоверы с автоматом в 2021 году