Турбонаддув

Устройство и принцип работы турбины на бензиновом двигателе

По сути, принцип работы всех нагнетателей прост, а в некоторых местах примерно одинаков. Во всех системах при помощи специального компрессора воздух под давлением подается в двигатель автомобиля.

В свою очередь стоит различать два абсолютно разных типа нагнетателей воздуха в двигатель автомобиля:

1. Первый тип – это турбины, которые используют энергию отработанных газов для повышения давления в цилиндрах.
2. Второй тип – это механические компрессоры с приводом от самого двигателя.

Как правило, давление, нагнетаемое компрессором, не превышает 80 процентов от стандартной схемы заполнения камеры сгорания, которая осуществляется в атмосферном двигателе вследствие разряженности, возникающей в цилиндре.

Устройство турбинного нагнетателя зависит от его типа. Разные конструкции могут отличаться между собой. Тем не менее, основные детали турбины зачастую одни и те же:

• Крыльчатка с лопастями;
• Турбинные и компрессорные колеса;
• Вал;
• Клапан, управляющий потоком выхлопных газов;
• Сам корпус и патрубки.

Принцип работы турбины на бензиновом двигателе, которая работает благодаря энергии отработавших газов, прост:

1. Газы поступают в турбину, под их давлением раскручивается ротор.
2. Колесо компрессора, находясь на том же валу, что и ротор, вращаясь вместе с ним, засасывает воздух из атмосферы и подает его в камеры сгорания мотора.
3. Отработавшие газы после того, как раскрутили ротор, выходят через патрубок в глушитель.

В зависимости от используемого компрессора, турбинный нагнетатель может увеличить давление воздуха в цилиндре на величину от 20 до 85 процентов! При этом мощность двигателя возрастает на 10-55 процентов.

В свою очередь, если на автомобиле стоит компрессор, который работает не за счет энергии газов, а благодаря механическому приводу с коленвалом, то в таких системах часть мощности двигателя затрачивается на то, чтобы обеспечить работу нагнетателя. Как следствие, падает мощность, передаваемая на колеса, а также повышается расход топлива. Другими словами эффективность такой установки ниже, хотя и в ней есть свои плюсы, но эта статья не о них.

В остальном же, принцип работы компрессора на бензиновом двигателе схож с предыдущим вариантом:

Раскручиваясь посредством зацепления с коленчатым валом, чаще всего с помощью ремня, колесо компрессора подает воздух в двигатель.

Таким образом, получается увеличить количество подаваемого воздуха в мотор примерно до 50%.

Дело в том, что при нагревании плотность воздуха падает, а при сдавливании он может разогреваться до 170-190 градусов. Поэтому в систему был добавлен специальный радиатор, который его охлаждает и не позволяет снижать показатели наполнения цилиндров воздухом.

Основные причины возникновения турбоямы

При движении на малых оборотах и резкого нажатия акселератора в крайнее положение, давление отработавших газов в полости турбины является низким. Его значение располагается в пределах атмосферного давления.

Поэтому скорость вращения крыльчатки не позволяет обеспечить сжатие отработавших газов до требуемого объема. Вследствие этого топливно-воздушная смесь в цилиндрах является обогащенной и в ней наблюдается недостаток кислорода.

Поэтому топливо не полностью сгорает в рабочих камерах двигателя и продолжает сгорать в полости корпуса турбина. Это влечет за собой снижение коэффициента полезного действия компрессора и появление нагара на стенках корпуса.

Также создаются силы, сопротивляющиеся отводу вредных газов из выпускной системы. Мощность автомобиля в этот момент падает, и двигателю необходимо производить дополнительную работу по удалению выхлопных газов из полостей рабочих камер, расположенных в цилиндрах.

Контроль над устранением деффекта ведет международная организация, занимающаяся обеспечение безопасности дорожного движения.

Что необходимо для установки турбины

Помимо самой турбины, в системе присутствуют еще некоторые компоненты, которые не обходимы для её работы. Такими компонентами являются:

Выпускной коллектор турбины.

Так как турбина работает на отработавших газах, её нужно врезать в магистраль выхода выхлопных газов из двигателя. Поможет на в этом так называемый специальный выпускной коллектор. Вот так вот она выглядет в сборе с турбиной.

Пайп для вывода отработавших газов

Еще одним необходимым элементом системы с установленным турбокомпрессором является специальный пайп для вывода отработавших газов наружу.

Кстати говоря в него нужно встраивать датчик лямбда зонда. Вот так это выглядит.

Магистраль подачи воздуха

Следующий необходимый элемент это сооружение магистрали подачи воздуха. Тут используются алюминиевые трубки и силиконовые патрубки для их соединения.

Прежде чем попасть воздух в мотор, для его более эффективного использования его нужно охладить. Для этого применяется интеркуллер. Вот так вот он выглядит.

На картинки он уже вместе с необходимыми патрубками. Следует отметить, что так как в турбину поступают отработанные газы, то она очень сильно нагревается, и просто необходимо подвести к ней канал с охлаждающей жидкостью.

Так – же обороты крыльчатки турбины очень высокие, и для обеспечения её долгой и надежной работы, необходимо подвести к ней масло канал из двигателя.

Электроника

Если вы решили установить турбину на свой автомобиль, то необходимо позаботится о форсунках. Форсунки нужно приобреси с более высокой производительностью, так мощность двигателя возрастет и стандартных форсунок просто напросто не хватит. У народных тюнеров пользуются спросом форсунки от субару, ну или более дешевый вариант — поставить волговские.

Так же стоит уделить внимание и на ЭБУ. Так как стандартная программа больше не подойдет, ее нужно будет менять и откатывать онлайн

Для этого нужно будет воспользоваться услугами настройщиков у которых есть специальное оборудование для этого.

Области применения турбокомпрессоров

Турбокомпрессор, приводимый в действие отработавшими газами, в его настоящей форме уходит корнями к работам Альфреда Бюхи (1905), который уже тогда увидел потенциал объединения наддува и перекрытия клапанов для очистки остаточных отработав­ших газов. Турбокомпрессоры, приводимые в действие отработавшими газами, традиционно применялись для наддува на больших дизель­ных двигателях грузовых автомобилей, судов и железнодорожных локомотивов, а также сельскохозяйственных и строительных машин.

Применение турбокомпрессоров на автомобильных дизельных двигателях

Первые дизельные двигатели легковых авто­мобилей, оборудованные турбокомпрессорами, приводимыми в действие отработавшими газами, увидели свет в середине 1970-х годов. Появле­ние «перепускной заслонки» для регулирова­ния давления наддува окончательно утвердило концепцию двигателя, ориентированного на крутящий момент, и позволило значительно по­высить гибкость. Дальнейшее повышение рабо­чих характеристик легковых автомобилей было достигнуто за счет применения систем прямого впрыска топлива (1987) и турбокомпрессоров с изменяемой геометрией турбины (1996) или систем двухступенчатого турбонаддува (2004). Результатом этих инноваций стало заметное увеличение на европейских рынках доли автомо­билей с дизельными двигателями. В настоящее время в Европе все дизельные двигатели легко­вых и коммерческих автомобилей оборудуются турбокомпрессорами, приводимыми в действие отработавшими газами и промежуточными охла­дителями (охладителями наддувочного воздуха).

Применение турбокомпрессоров на легковых автомобилях с бензиновыми двигателями

Применение турбонаддува бензиновых дви­гателей первоначально оставалось резервом повышения мощности только для мощных двигателей спортивных автомобилей и из-за неадекватной управляемости («запаздывания») турбонаддув относительно редко применялся на серийно выпускаемых легковых автомобилях. Однако в дальнейшем появилась тенденция к применению турбонаддува на бензиновых дви­гателях малой и средней мощности. В дополне­ние к повышению к.п.д., одна из основных целей заключалась в том, чтобы избежать увеличения количества цилиндров и связанного с этим уве­личения размеров двигателя и расхода топлива.

В отличие от дизельных двигателей, в настоя­щее время, хотя и в меньшей степени, приме­няются нагнетатели с механическим приводом (по соображениям, обусловленным рынком, а также благодаря превосходным характеристи­кам в переходных режимах, когда требуется быстрое увеличение давления наддува). В на­стоящее время бензиновые двигатели с прямым впрыском топлива, оборудованные турбоком­прессорами, приводимыми в действие отрабо­тавшими газами, практически достигли уровня двигателей с нагнетателями с механическим приводом в отношении скорости увеличения давления наддува в переходных режимах.

В настоящее время для повышения мощности и крутящего момента бензиновых двигателей с небольшим рабочим объемом при относительно небольшой частоте вращения коленчатого вала применяются комбинации механического над­дува и турбонаддува с использованием отрабо­тавших газов (комбинированный наддув).

В то время как турбокомпрессор, приво­димый в действие отработавшими газами, с изменяемой геометрией турбины является стандартным нагнетателем для дизельных двигателей, высокие температуры и затраты, связанные с использованием этой технологии, до сих пор позволяют использовать ее для бензиновых двигателей только в ограниченной степени, в некоторых сегментах рынка.

В отношении содержания вредных веществ в отработавших газах и расхода топлива, а также иных рабочих характеристик важность турбонаддува при помощи турбокомпрессо­ров, приводимых в действие отработавшими газами, на разрабатываемых новых двигателях с малым рабочим объемом и уменьшенным количеством цилиндров будет возрастать. Сегодня мы наблюдаем резкий рост выпуска бензиновых двигателей с турбонаддувом, и в течение нескольких следующих лет ожидается Резкий рост этого сектора рынка

Проблемы турбоямы

Что такое турбояма, отлично знают все водители, чьи автомобили оснащены моторами с нагнетателем воздуха — это провал мощности двигателя на несколько секунд во время выжатой педали газа и затем резкий скачок оборотов, когда даже со стороны видно, что автомобиль на ровном месте тряхнуло.

Технически эффект происходит за счет того, что крыльчатка турбины не может быстро раскрутиться на низких оборотах мотора. Минимальная скорость вращения коленвала и не разогретое масло препятствуют тому, чтобы в цилиндры поступало достаточное количество воздуха. Когда в процессе разогрева поступление кислорода увеличивается, резко растет и выхлоп, который в свою очередь позволяет нагнать в цилиндры больше кислорода. Топливо начинает быстро гореть и дает скачок в частоте оборотов.

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:

• Неисправность предохраняющего клапана. Бывает, что клапан забивается мусором или растрескивается, что приводит к блокировке работы турбины. Установить поломку достаточно просто – примерно до 3-4 тысяч оборотов клапан все еще может работать, поэтому он будет нагнетать воздух. Однако при превышении этого показателя он резко закрывает турбину, что приводит к падению мощности. Чтобы решить проблему, выключите электронные системы авто, откройте капот, отсоедините отрицательную клемму от аккумулятора, найдите турбину, отключите систему смазки и демонтируйте устройство (обычно оно располагается рядом с движком). Потом снимите клапан и осмотрите его, при необходимости – выполните очистку устройства или его замену.
• Негерметичное крепление компонентов турбонаддува. Чтобы обеспечить максимальную мощность нагнетания воздуха в ДВС, необходимо, чтобы детали турбины герметично крепились к автомобилю. В случае негерметичного крепления мощность нагнетания резко падает. Установить наличие проблемы можно по двум признакам – резкое снижение мощности и появление характерного свиста во время работы авто. Чтобы разобраться с проблемой, нужно обесточить машину, открыть капот и проверить герметичность крепления прибора. Проблемы могут возникнуть с штуцером, трубкой подачи масла, клапаном и так далее. Для устранения проблемы нужно восстановить герметичность (например, если проблема в штуцере, нужно купить новый).
• Использование плохого масла. Для эффективной работы системы турбонаддува устройство необходимо смазывать маслом. Однако бывает так, что водитель для смазки использует дешевое некачественное масло с обилием примесей – в таком случае эффективность турбонаддува значительно снизится. Установить проблему очень просто – во время движения авто в машине появляется резкий громкий скрежет, а мощность двигателя не увеличивается при разгоне до высоких скоростей. Решение проблемы – нужно купить новое качественное масло и залить его вместо старого в автомобиль.

Признаки выхода из строя турбокомпрессора

Как было сказано выше, голубовато-сизый выхлоп указывает на сгорание масла в цилиндрах двигателя, которое попало туда из турбокомпрессора либо мотора. Черный указывает на утечки воздуха, а белый – засор в маслопроводе. Появление свиста может сигнализировать об утечке воздуха на стыках компрессора с двигателем. Скрежет говорит о ненормальном трении деталей и элементов конструкции.

В случае периодического отключения или полного выхода из строя турбины, следует проверить все ее части и узлы. Основная масса всех поломок турбокомпрессора заключается в трех причинах. О них ниже.

Недостаточное давление масла

Может возникнуть вследствие течи либо при пережиме масляного шланга, или из-за неправильного их подключения к турбине. Ведет к быстрому изнашиванию колец, шейки вала, плохой смазке и резкому повышению температуры на радиальных подшипниках турбокомпрессора. Потребуется их замена на новые.

Загрязненное масло

Может возникнуть вследствие несвоевременной замена смазки либо масляных фильтров, при попадании воды либо горючего в масло, а также при использовании некачественных смазочных материалов. Ведет к преждевременному износу подшипников, забиванию каналов маслопровода, повреждению оси.

Вышедшие из строя элементы, требуется заменить на новые.

Посторонний предмет внутри турбокомпрессора

Может привести к повреждению или поломке лопастей компрессорного колеса, что ведет к снижению давления воздуха; лопастей колеса турбины; ротора. В этом случае со стороны компрессора потребуется замена фильтра и проверка впускного тракта на герметичность. На стороне турбины, необходима замена вала и проверка впускного коллектора.

Дефекты турбонаддува и причины их появления

Неисправности турбин дизеля и бензинового двигателя ничем не отличаются друг от друга. Ниже приведем некоторые из них:

• Износ опорных шеек вала и подшипников скольжения.Причины: низкое давление, плохое качество или сильное загрязнение масла. Признак этой неисправности – шумная работа турбины на любых оборотах.
• Механическое повреждение крыльчаток. Происходит при большой неравномерной выработке в сопряжении вала с подшипниками, приводящей к биению крыльчаток о корпус. Или при попадании на лопасти рабочих колес посторонних предметов.
• Закупоривание смазочных каналов подшипников сгоревшим маслом. Это возможно при глушении дизеля сразу после остановки машины. Так как если, остановив автомобиль, не дать мотору поработать несколько минут на холостых оборотах, перегрев корпуса подшипников неминуем. А в случае когда турбина имеет жидкостное охлаждение – при уменьшении теплопроводности каналов этой системы за счет отложения на их поверхности накипи или герметика из антифриза.
• Попадание масла из турбокомпрессора во впускной коллектор двигателя. Причина — увеличенные зазоры между поверхностями шеек вала и подшипниками, совместно с засорившимся сливным маслопроводом. Это дает знать о себе появлением синего дыма на высоких оборотах двигателя. При снижении частоты вращения коленвала выхлоп становится почти бесцветным.
• Неисправность актуатора. Чаще всего это заклинивание перепускного клапана в одном из крайних положений. Признаком является недостаточный наддув компрессора или превышение допустимых оборотов крыльчаток.
• Неплотности стыка улитки компрессора со впускным коллектором. Причиной может быть нарушение геометрии корпуса турбокомпрессора или приход в негодность прокладки. Эта неисправность обнаруживает себя свистом выходящего через дефект сжатого воздуха.

Демонтаж турбокомпрессора

1. Остудите мотор и слейте антифриз.
2. Отключите от корпуса узла масляные магистрали, и патрубки охлаждения.
3. Отверните крепеж фланцев улиток. Чтобы не повредить грани болтов или гаек, используйте для этого только накидные и торцевые ключи.
4. Отсоединение фланца улитки компрессора от впускного коллектора, как правило, не составляет труда. Фланец улитки турбины обычно крепко пригорает к выхлопной системе. Для разъединения этого стыка следует использовать WD-40, а если это не помогает, то и деревянную киянку.

Что такое картридж турбины

Картриджем турбокомпрессора двигателя называют узел, состоящий из корпуса подшипников, вкладышей и установленного в них вала с крыльчатками. Поступающий в продажу, он не требует балансировки вала с крыльчатками или других подготовительных операций и после удаления консервирующий смазки полностью готов к установке.

https://youtube.com/watch?v=HGcIrc4S69I

Принцип работы турбины: видео

Здравствуйте, уважаемые читатели и посетители блога Автогид.ру. Сегодня в статье мы с вами разберёмся и узнаем как работает турбина на бензиновом двигателе. Тема, конечно интересная и в первую очередь для владельцев бензиновых турбированных автомобилей. Зачастую информации о принципе работы и устройстве турбины на бензиновом моторе достаточно мало или она слишком сложна для восприятия обыкновенного человека.

Использование турбины позволяет любому двигателю с малым объёмом увеличить мощность без возрастания расхода топлива и сокращения ресурса эксплуатации. После подключения турбины мотор словно получает невидимый пинок и работает значительно шустрее. Существуют особенности использования бензиновых моторов, оснащённых турбинами.

Их необходимо учитывать для продления срока службы устройства и использования двигателя машины с максимальной эффективностью. Перед тем как говорить о принципе работы турбины на бензиновом двигателе надо узнать историю её появления и широкого использования производителями автомобилей.

История появления турбированного бензинового мотора

Первые двигатели внутреннего сгорания, как и все технические первопроходцы имели очень «сырой» вид и требовали доработки. Время шло и на рынке появлялись надёжные и долговечные модели бензиновых моторов, которые радовали водителей своей неприхотливостью в обслуживании и выносливостью. Требования к моторам среди потребителей возрастали и критерии контролирующих органов ужесточались.

Первоначально развитие бензиновых моторов осуществлялось во многом по экстенсивному пути. Для увеличения мощность двигателя его объём просто увеличивался. Все было отлично если бы не возрастающий пропорционально расход топлива и количество вредных выбросов в окружающую среду. Продолжаться это больше так не могло и перед инженерами и создателями двигателей внутреннего сгорания была поставлена очень непростая задача.

Добиться увеличения мощность ДВС (двигателя внутреннего сгорания) без увеличения объёма мотора и расхода топлива. Решений было предложено большое количество, но выбрано было единственное верное направление развития моторов. Было решено работать над увеличением эффективности образования и сгорания топливно-воздушной смеси в моторе автомобиля.

Единственный верный способ увеличить эффективность сгорания смеси топлива и воздуха – это увеличить поступление воздуха в цилиндры мотора. При этом дополнительный объём воздуха должен был поступать принудительно за счёт создаваемого давления.

Дополнительное количество воздуха значительно усиливало сгорание топлива в цилиндрах мотора и тем самым высвобождая дополнительные мощности при неизменном объёме. Идея простая, но требующая реализации в виде появления устройства для нагнетания воздуха в цилиндры двигателя.

Для решения этой задачи автомобильные инженеры решили опираться на разработки авиационной промышленности. Она уже очень давно использовала турбины. Первые турбированные бензиновые моторы появились на грузовых автомобилях в тридцатых годах прошлого века. Грузовики использующие турбины прибавили в мощности и оптимизировали расход топлива.

Удачный опыт использования турбины как устройства для нагнетания массы воздуха в грузовых машинах подвиг конструкторов и инженеров автомобильной промышленности ускорить движение в этом направлении. Первые автомобили с бензиновыми моторами оснащёнными турбинами начали продаваться на территории США в 60-х годах прошлого века.

Первые модели автомобилей этого типа автолюбители из США встретили настороженно и с подозрительностью. Только через 10 лет в 70-х годах прошлого века их оценили по достоинству и начали активно использовать при создании машин со спортивным уклоном. На серийные модели автомобилей турбины устанавливали в очень малом количестве.

Это было вызвано тем, что первые модели моторов с турбинами оказались очень «прожорливыми» и имели массу прочих мелких недоработок, портящих первое впечатление. Значительный расход топлива не дал возможность наладить широкое производство машин с турбированным моторами. Значительно замедлило внедрение турбин в моторы нефтяной кризис, закончившийся увеличением цен на топливо. Люди стали больше экономить.

Лишь в конце 90-х годов после значительного улучшения конструкции турбины и бензинового мотора в целом удалось изменить ситуацию. Это стало отправной точкой начала эры развития и становления бензиновых турбированных двигателей.

Из чего состоит турбина

В зависимости от производителя и модели турбины имеют некоторые отличия, однако основные конструктивные элементы и механизмы у них идентичны. Так в устройство любой турбины входит воздухозаборник, сразу за ним устанавливается воздушный фильтр, дроссельная заслонка, турбокомпрессор, интеркуллер и выпускной коллектор. Все части агрегата соединены между собой трубками и шлангами, которые изготавливаются из надежных износостойких материалов.

Большинство знакомых с конструктивными особенностями автомобиля, обратили внимание на несколько отличий турбонаддува от стандартных систем впуска – это наличие интеркулера и турбокомпрессора, а также некоторых элементов для контроля и регулирования надува. Одним из основных и наиболее важных элементов турбины является турбокомпрессор (или турбонагнетатель)

Именно он обеспечивает увеличенное давление воздуха на впускных магистралях мотора. В своей конструкции турбонагнетатель имеет два колеса – турбинное и компрессорное, размещенные на роторном валу. Каждое колесо смонтировано в отдельном надежном корпусе, а в конструкции предусмотрен подшипник

Одним из основных и наиболее важных элементов турбины является турбокомпрессор (или турбонагнетатель). Именно он обеспечивает увеличенное давление воздуха на впускных магистралях мотора. В своей конструкции турбонагнетатель имеет два колеса – турбинное и компрессорное, размещенные на роторном валу. Каждое колесо смонтировано в отдельном надежном корпусе, а в конструкции предусмотрен подшипник.

Что еще потребуется для тюнинга

Перед установкой турбины на ВАЗ необходимо определиться с тем, какую суммарную мощность вы хотите выжать из мотора. Если желаете получить более 200 лошадок, то нужно найти блок от «Калины». Он на 2,3 мм выше, нежели стандартный. Можно использовать блок двигателя от автомобиля 10-го семейства, но это существенно снизит мощность.

Обязательно необходимо установить коленчатый вал от автомобиля Lada Kalina. Диаметр кривошипного механизма у него 75,6 мм. Обязательно использовать а в них выточить выемку, которая позволит добиться необходимой степени сжатия. Рекомендуется обратиться к грамотному специалисту, чтобы он сделал эти выемки, либо же приобрести уже готовые изделия в магазинах для тюнинга.