Турбина низкого давления в двигателе

Турбированные двигатели! Правильная эксплуатация Турбины!

О турбинах в целом

Турбины устанавливают как на бензиновые, так и на дизельные двигатели. Некоторые производители используют турбины низкого наддува. Давление, которое создает такая турбина, невысокое, ее основная цель заключается в создании турбулентных потоков воздуха, которые способствуют более качественному смешиванию бензина с топливом. Турбины высокого давления гораздо эффективнее. У моторов с турбиной высокого давления литровая мощность может быть в полтора раза выше, чем у атмосферного аналога. Но ее конструкция немного сложнее. Для того чтобы излишнее давление на высоких оборотах не повредило двигателю, инженеры придумали специальный клапан для устранения избыточного давления. Для многих турбомоторов обязательным атрибутом является интеркулер. Его задача – охлаждать воздух, нагретый турбиной. В холодном воздухе содержится больше кислорода при равном объеме. Современные системы впрыска позволяют практически полностью избавиться от такого явления, как «турбояма» (провал мощности при резком нажатии газа), характерного для двигателей более старой конструкции. В процессе эволюции турбин фактически все недостатки турбомоторов были исключены. Многие как за счет использование двух турбин для низких и высоких оборотов, так и за счет применения турбин с переменной производительностью – такие турбины имеют возможность менять наклон нагнетающих (компрессионных) лопастей. В итоге получили моторы высокой литровой мощности при компактных размерах самих агрегатов.

О работе турбины

Лопасти турбины под воздействием выхлопных газов вращаются с огромной скоростью — более ста тысяч оборотов в минуту. Ось, которая приводится в движение ведущей крыльчаткой, крепится с помощью подшипников скольжения к корпусу турбины. Для смазки подшипников используется моторное масло, которое подается под давлением. Как только двигатель перестает работать, давление масла резко падает, а обе крыльчатки, ведущая и нагнетающая, продолжают по инерции вращаться. Подшипники вала, на который насажены обе крыльчатки, оказываются без смазки. Вследствие таких перегрузок турбина начинает «кушать» масло. Через увеличившийся зазор смазка просачивается под нагнетающей крыльчаткой и попадает во впускной коллектор, а потом сгорает в цилиндрах. При сильном увеличении зазора турбина начинает выть. К тому же турбина не может долго держать высокие обороты без поступления соответствующего количества отработанных газов. Поэтому износ от масленного «голодания» в подшипнике качения сопровождается и другими побочными факторами. Например: после продолжительной работы двигателя с приличной отдачей мощности корпус турбины сильно разогревается от большого количества проходящих через неё раскаленных отработанных газов. Чаще всего турбина охлаждается протоком того же моторного масла. Если прекратить поступление этого потока, при остановке двигателя, обязательно происходит пригорание остатков смазки к деталям турбины, что приведет, со временем к накоплению нагара и неизбежному износу деталей. В этом случае справедливо принять решение к применению более качественного масла, будет больше шансов выжить. Хорошим решением для сохранения работоспособности турбины будет применение так называемого турбо-таймера. Устройство обеспечивает автоматическую задержку выключения двигателя после выключения зажигания на время, достаточное для того чтобы детали турбонадува успели остыть. Многие модели турбо-таймеров имеют даже индикацию температуры турбины и времени необходимого на остывание турбины. Турбо-таймер можно использовать как отдельно, так и совместно с автосигнализацией. Недостатком использования служит то, что при возможности перегрева турбины таймер может ее отключить в самый неподходящий момент. И приходится контролировать помимо скорости еще и работу турбины.

ПОВРЕЖДЕНИЯ ПРИ ПОПАДАНИИ ИНОРОДНЫХ ЧАСТИЦ
Повреждения, появившиеся в результате попадания инородных предметов через корпус турбины или компрессора.
Такие повреждения явно видны на крыльчатке турбины и крыльчатке компрессора.
Запрещено использовать турбокомпрессор с поврежденными крыльчатками, т.к. Повреждения вызывают дисбаланс ротора, что может привести к полному разрушению турбокомпрессора и привести к серьезной поломке двигателя.

НЕДОСТАТОЧНАЯ ПОДАЧА МАСЛА
Недостаток подачи масла может иметь следующие причины:
• неквалифицированная установка турбокомпрессора;
• длительный простой мотора;
• повреждена или засорена маслоподающая трубка;
• низкое давление масла в следствии неисправностей в системе смазки;
• низкий уровень масла или его отсутствие в картере;
• использование герметиков, которые могут попадать в маслоподающие каналы и блокировать или ограничивать поступление масла;
• незаполненный маслом масляный фильтр при смене масла (желательно «прокрутить» мотор, чтобы создать давление масла);
• старт мотора при еще неполностью заполненных масляных каналах.

Повреждения из-за загрязненного масла
Обычно выглядят как глубокие царапины на подшипниках и валу. Для предупреждения таких повреждений используйте качественное масло и фильтры, рекомендованные ОЕ производителем.
Помимо регламентных ТО согласно спецификации автомобиля, масло и фильтры обязательно нужно менять при смене турбокомпрессора.
Причины повреждения из-за грязного масла могут быть такие:
• поврежденный, забитый или низкого качества масляный фильтр;
• грязь, попавшая во время сервисных работ;
• износ двигателя или частицы износа;
• не работающий перепускной клапан масляного фильтра;
• масло с пониженными смазочными свойствами.

Читайте также:  Какие гильзы лучше для двигателей ваз

Загрязненное масло
КАРБОНОВЫЙ НАЛЁТ
Неисправности, вызванные образование карбонового налета
Налет возникает в следствии повышенной температуры выхлопа или остановки мотора сразу после прекращения движения.
Рекомендуется перед выключением мотора дать ему поработать 2-3 минуты на холостом ходу, чтобы система подшипников турбокомпрессора успела остыть.
Жар со стороны турбины проникает в корпус подшипника, что вызывает карбонизацию масла и отложения в системе подшипников. Основные повреждения получают вал в районе маслоупорного кольца, ближний к турбине подшипник, блокируются масляные каналы в корпусе подшипника.

Возможные причины карбонизации масла:
• остановка мотора сразу после прекращения движения;
• низкое качество масла;
• нерегулярная смена масла приводит к его порче;
• утечки воздуха и выхлопа;
• неполадки в топливной системе (форсунки, насосы и т.д.)

О техническом обслуживании

Но особенности эксплуатации все-таки остались. Периодичность ТО у машин с турбиной, как правило, меньше, чем у атмосферников. Требования к маслу для турбодвигателей более жесткие; это, естественно, сказывается на цене. Турбина – достаточно сложный агрегат, и неправильное пользование ее может дорого обойтись. Правильный подбор масла под определенный тип двигателя позволит увеличить моторесурс двигателя в 2 раза, а правильная эксплуатация автомобиля и его периодическое техническое обслуживание – еще в 2 раза. Воздушный и масляной фильтры регулярно проверяются в соответствии с рекомендациями производителя, а в некоторых условиях (пыльные дороги) даже чаще.
Итог:
1. После пуска двигателя, дать ему поработать около 1 минуты. Полное рабочее давление создается за секунды, но оно только позволяет разогнать движущиеся части турбины в условиях при хорошей смазки. Газовать на двигателе, который лишь несколько секунд назад завелся – значит заставлять турбину вращаться на высоких скоростях в условиях ограниченной смазки. Это может привести к преждевременной поломки турбокомпрессора.
2. Не перегазовывать сразу после пуска двигателя, ехать на низких оборотах.
3. После активной езды на высоких оборотах дать остыть двигателю после остановки около 3-5 минут, после чего можно глушить мотор. При нагруженном двигателе, турбокомпрессор работает на очень высоких оборотах от 100 тысяч до 250 тысяч и при высокой температуре. Быстрое выключение зажигания или «горячее выключение» создает быстрые переходные процессы и перепады температур в турбине и уменьшает тем самым жизнь турбокомпрессора.
4. Желательно не оставлять двигатель долго работающим на холостых оборотах (более 20-30 минут). При холостых оборотах, турбина генерирует низкое давление и возможны протекания паров масла через соединения турбины. Это не приносит никакого реального вреда для турбины, только придает синий дым к выхлопу двигателя.
5. Менять масло по регламенту, через заданный интервал, следить за его качеством. Следить за состоянием воздушного и масляного фильтра и так же не забывать о их своевременной замене.
6. В промежутки между ТО следить за уровнем масла, и при необходимости доливать его.

Источник

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.

Читайте также:  Как определить модель двигателя камаз

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.

Читайте также:  Сколько весит двигатель газель 405

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.

Источник

Оцените статью