Для чего предназначен турбокомпрессор

С момента появления двигателя внутреннего сгорания и использования его на автомобильном транспорте, конструкторы бились обеспечением максимально возможно выхода мощности при минимальных переработках силовой установки.

Назначение автомобильного турбокомпрессора

Принцип работы турбокомпрессора

На данный момент решением данной проблемы является использование турбокомпрессора, он же турбонаддув, турбонагнетатель. Суть работы данного устройства – обеспечение повышенного давления воздуха, подаваемого в цилиндры силовой установки. Благодаря применению турбокомпрессора конструкторам удалось повысить выходную мощность без надобности в конструктивном изменении двигателя, увеличении объема камер сгорания и оборотов коленчатого вала. При этом потребление топлива у турбированного мотора будет ниже за счет более полного его сгорания в цилиндрах.

Турбокомпрессор на данный момент устанавливается и на бензиновые, и на дизельные моторы. Но при этом установка нагнетателя более эффективна на дизельных установках. Связано это с особенностями работы такого мотора – у дизеля степень сжатия в цилиндрах почти вдвое больше, чем у бензиновых, а скорость вращения коленчатого вала – меньше.

Риск использования нагнетателя на бензиновом моторе связан с возможным образованием детонационного сгорания в цилиндрах из-за резкого возрастания количества оборотов коленчатого вала. При этом в бензиновом моторе наддув работает в более жестких температурных условиях. Температура отработавших газов в бензиновом моторе выше, чем у дизеля, а поскольку наддув использует энергию отработанных газов, то у бензинового агрегата нагнетатель больше разогревается.

Существующие турбонаддувы могут конструктивно отличаться, но все они включают в себя определенные составные части.

Конструкция турбокомпрессора

Принцип работы системы турбонаддува

Турбонаддув включает в свою конструкцию воздухозаборник с воздушным фильтром, дроссельную заслонку, турбокомпрессор, интеркулер (охладитель наддувочного воздуха), впускной коллектор и элементы управления. Все эти элементы связаны между собой патрубками и напорными шлангами.

Основным элементом всей этой системы является турбокомпрессор, поскольку он обеспечивает нагнетание воздуха под давлением в систему. Состоит он из двух колес, посаженных на один ротор. Корпус компрессора состоит из двух камер, в каждую из которых помещено свое колесо.

Автомобильный турбокомпрессор в разрезе

Первое колесо компрессора – турбинное. Оно воспринимает на себя энергию отработавших газов и через ротор передает его на другое колесо. То есть, турбинное колесо является ведущим. Поскольку оно работает с разогретыми газами, то изготавливается это колесо, и также его камера из жаропрочных материалов.

Второе колесо – компрессорное. Оно получает вращение от ведущего колеса и является ведомым. Данное колесо засасывает через воздухозаборник воздух, сжимает его, повышая давление, и перепускает его дальше.

Свободное вращение ротора обеспечивается наличием подшипников скольжения. Данные подшипники – плавающие, то есть между ними, ротором и корпусом обеспечивается зазор. Смазка этих подшипников производится от системы смазки мотора. Чтобы масло не вытекало наружу, и не попадало в воздух или обработанные газы, в конструкции используются уплотнительные кольца.

1 – крыльчатка турбины; 2 – крыльчатка компрессора; 3 – вал; 4 – подшипниковый узел; 5 – штуцер подачи масла; 6 –регулятор. давления наддува.

В большинстве турбонаддувов используется воздушная система охлаждения, но на некоторых бензиновых двигателях встречается и жидкостная система охлаждения компрессора, входящая с состав системы охлаждения двигателя.

Интеркулер включен в систему турбонаддува для обеспечения охлаждения сжатого воздуха. Во время работы турбокомпрессора воздух разогревается, что приводит к снижению его плотности. При охлаждении плотность снова возрастает и повышается давление. Интеркулер представляет собой обычный радиатор. Он может охлаждать воздух как при помощи воздушного, так и жидкостного охлаждения. После интеркулера воздух подается во впускной коллектор, а затем уже – в цилиндры.

В турбонаддув входят элементы управления, которые обеспечивают правильное функционирование. Главным элементом управления является регулятор давления. Данный регулятор представляет собой перепускной клапан. Этот клапан регулирует количество подаваемых отработанных газов на турбинное колесо. Данный клапан работает на основе показаний датчика давления наддува, входящий в систему управления двигателем. Этот клапан обеспечивает подачу только необходимого количества отработанных газов, остальные пуская в обход турбокомпрессора.

Также в систему управления турбонаддува могут входить еще один клапан– предохранительный, который устанавливается за компрессором. Он обеспечивает защиту от возможных скачков давления в системе при резком закрытии дросселя. Этот клапан может либо стравливать избыток давления, либо перегонять лишний воздух на вход в турбокомпрессор.

Принцип работы турбокомпрессора и его недостатки

Видео: Принцип работы турбокомпрессора (турбины)

Принцип работы турбонаддува достаточно прост: выхлопные газы поступают в камеру турбинного колеса и заставляет его вращаться. Вращаясь, он чрез ротор приводит в движение турбокомпрессор. Тот в свою очередь засасывает воздух, сжимает его и подает в интеркулер для охлаждения. После прохождения интеркулера воздух под давлением подается во впускной коллектор. Работа наддува контролируется и регулируется регулятором давления, который дозирует количество отработанных газов, поступающих в камеру турбинного колеса. Благодаря этому осуществляется возможность изменения производительности турбонаддува в зависимости от вращения коленчатого вала.

Но такая конструкция имеет один существенный недостаток – при резком открытии дроссельной заслонки турбонаддув не успевает обеспечить необходимое количество воздуха для подачи в цилиндры. Для этого ему требуется определенное время. Выливается это в образование негативного эффекта, который получил название «турбояма». То есть, водитель резко нажимает на педаль газа, рассчитывая резко ускориться, но из-за нехватки воздуха ускорения сразу не происходит. Автомобиль начнет набирать обороты только после того, как наддув обеспечит необходимое количество воздуха. Вслед за «турбоямой» возникает еще один негативный эффект – «турбоподхват». Происходит он после «турбоямы» и сопровождается увеличенным давлением в турбонаддуве из-за интенсивной работы компрессора.

Для решения проблемы появления существует несколько способов. Первый из них – использование комбинированного наддува (состоящего из механического нагнетателя и турбонагнетателя). На начальном этапе при резком нажатии на педаль газа давление в выпускном коллекторе обеспечивает механический нагнетатель, работа которого не зависит от выхлопных газов, после в работу вступает турбонагнетатель, а механический отключается.

Видео: Устройство и неисправности турбины

Вторым способом преодоления «турбоямы» является использование двойного турбонаддува, так называемого «twin-turbo». Двойной турбонаддув обычно применяется на V-образных двигателях.

И третий способ – использование турбонаддува с изменяемой геометрией. В такой турбине воздушный поток оптимизируется за счет изменения площади канала, по которому подается воздух.

Неисправности и их диагностика

При своей достаточно простой конструкции, у турбокомпрессора может возникнуть большое количество неисправностей. Основными из них являются:

• Утечка масла через уплотнительные кольца и попадание его в воздух, подаваемый в цилиндры;
• Утечка воздуха в местах соединения патрубков;
• Засорение канала отвода масла из компрессора;
• Засорение подающего масляного канала;
• Неисправности системы управления;
• Трещины и деформация корпуса компрессора;
• Засорение воздушного фильтра;

О многих возникших проблемах с работой турбонаддува могут просигнализировать выхлопные газы. Синий дым из трубы будет указывать на попадание масла в воздух, черный – на утечку воздуха, а белый – на засорение отводного масляного канала.

Также о неисправностях может рассказать сам двигатель и турбонаддув. Потеря динами разгона будет указывать на проблемы с управлением турбиной, свист при работе мотора будет сигнализировать об утечке воздуха между компрессором и двигателем, а деформация корпуса будет сопровождаться скрежетом.

Несмотря на свои недостатки и неисправности все больше автомобилей оснащаются турбокомпрессорами, поскольку данное устройство – действительно полезное.

Мощность, развиваемая двигателем внутреннего сгорания, зависит от количества топлива и воздуха, поступающего в двигатель. Мощность двигателя возможно повысить за счет увеличения объема этих составляющих.

Но увеличение подачи топлива бессмысленно, если не увеличивается поступление воздуха, необходимого для его сгорания. Поэтому воздух, поступающий в цилиндры двигателя, приходится сжимать. Система принудительной подачи воздуха может работать, используя энергию отработанных газов или с применением механического привода.

Турбокомпрессор или турбонагнетатель — устройство, предназначенное для нагнетания воздуха в двигатель с помощью энергии выхлопных газов. Основные части турбокомпрессора — турбина и центробежный насос, которые связывает между собой общая жесткая ось. Эти элементы вращаются со скоростью — около 100.000 об/мин, приводя в действие компрессор.

испаритель теплообмен турбокомпрессор

Схема двигателя с турбовентилятором.

• 1 — Вентилятор.
• 2 — Компрессор низкого давления.
• 3 — Компрессор высокого давления.
• 4 — Камера сгорания.
• 5 — Турбина высокого давления.
• 6 — Турбина низкого давления.
• 7 — Сопло.
• 8 — Вал ротора высокого давления.
• 9 — Вал ротора низкого давления.

Турбокомпрессор состоит из следующих элементов:

Турбинное колесо вращается в корпусе, имеющем специальную форму. Оно выполняет функцию передачи энергии отработавших газов компрессору. Турбинное колесо и корпус турбины изготавливают из жаропрочных материалов (керамика, сплавы).

Компрессорное колесо засасывает воздух, сжимает его и затем нагнетает его в цилиндры двигателя. Оно также находится в специальном корпусе.

Компрессорное и турбинное колеса установлены на валу ротора. Вращение вала происходит в подшипниках скольжения. Используются подшипники плавающего типа, то есть зазор имеют со стороны корпуса и вала. Моторное масло для смазки подшипников поступает через каналы в корпусе подшипников. Для герметизации на валу устанавливаются уплотнительные кольца.

Для лучшего охлаждения турбонагнетателей в некоторых бензиновых двигателях применяется дополнительное жидкостное охлаждение.

Для охлаждения сжимаемого воздуха предназначен интеркулер — радиатор жидкостного или воздушного типа. За счет охлаждения увеличивается плотность и соответственно давление воздуха.

В управлении системой турбонаддува основным элементом является регулятор давления. Это перепускной клапан, который ограничивает поток отработавших газов, перенаправляя часть его мимо турбинного колеса, обеспечивая нормальное давление наддува.

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:

1. Корпус. Выполняется из жаропрочных материалов (стали). Он имеет форму улитки с двумя разнонаправленными патрубками, оснащенными фланцами для крепления в системе турбонаддува.
2. Турбинное колесо. Преобразует энергию отработавших газов во вращение вала, на котором оно жестко зафиксировано. Изготавливается из жаропрочных материалов (железо-никелевый сплав).
3. 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.
4. Вал турбины (ось) — соединяет турбинное и компрессорное колеса.
5. 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.
6. 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.

Принцип работы турбокомпрессора

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.