Охлаждение турбины дизельного двигателя

Механизм изменения геометрии

Механизм осуществления данного процесса определяется конструкцией. В моделях с вращающимися лопастями это достигается путем изменения их положения: для обеспечения узкого сечения лопатки располагаются перпендикулярно радиальным линиям, а для расширения канала они переходят в ступенчатое положение.

У турбин со скользящими кольцом и подвижной стенкой происходит осевое перемещение кольца, что также меняет сечение канала.

Принцип функционирования VFT основан на разделении потока. Ускорение его на низких оборотах осуществляется путем перекрытия заслонкой внешнего отсека канала, вследствие чего газы идут к ротору кратчайшим путем. При росте нагрузки заслонка поднимается, пропуская поток через оба отсека для расширения пропускной способности.

Для VAT и моделей Switchblade изменение геометрии осуществляется посредством поворота лопасти: на низких оборотах она поднимается, сужая проход для ускорения потока, а на высоких прилегает к турбинному колесу, расширяя пропускную способность. Для турбин Switchblade второго типа характерен обратный порядок работы лопасти.

Так, на «низах» она прилегает к ротору, вследствие чего поток идет только вдоль внешней стенки корпуса. С ростом оборотов лопатка поднимается, открывая проход вокруг крыльчатки для повышения пропускной способности.

Необходимые дополнения в состав системы турбонаддува: клапаны, интеркулер

Не один десяток лет потребовался инженерам, чтобы создать действительно эффективно работающий турбокомпрессор. Ведь это только в теории всё выглядит гладко: от преобразования энергии отработанных газов можно «вернуть» утерянный процент КПД и значительно увеличить мощность двигателя (например, со ста до ста шестидесяти лошадиных сил). Но на практике подобного почему-то не получалось.

Кроме того, при резком нажатии на акселератор приходилось ждать увеличения оборотов мотора. Оно происходило только через некоторую паузу. Рост давления выхлопных газов, раскрутка турбины и загонку сжатого воздуха происходили не сразу, а постепенно. Данное явление, именуемое «turbolag» («турбояма») никак не удавалось укротить. А справиться с ним получилось, применив два дополнительных клапана: один – для перепускания излишнего воздуха в компрессор через трубопровод из двигательного коллектора. А другой клапан – для отработанных газов. Да и в целом, современные турбины с изменяемой геометрией лопаток даже своей формой уже значительно отличаются от классических турбин второй половины ХХ века.

Дизельный турбокомпрессор «Бош»

Другая проблема, которую пришлось решать при развитии технологий дизельных турбин, состояла в избыточной детонации. Детонация эта возникала из-за резкого увеличения температуры в рабочих полостях цилиндров при нагнетании туда дополнительных масс сжатого воздуха, особенно на завершающей стадии такта. Решать данную проблему в системе призван промежуточный охладитель наддувочного воздуха (интеркулер).

Интеркулер – это не что иное, как радиатор для охлаждения наддувочного воздуха. Кроме снижения детонации, он снижает температуру воздуха ещё и для того, чтоб не снижать его плотность. А это неизбежно во время процесса нагрева от сжатия, и от этого эффективность всей системы в значительной степени падает.

Кроме того, современная система турбонаддува двигателя не обходится без:

  • регулировочного клапана (wastegate). Он служит для поддержания оптимального давления в системе, и для его сброса , при необходимости, в приёмную трубу;
  • перепускного клапана (bypass-valve). Его предназначение – отвод наддувочного воздуха назад во впускные патрубки до турбины, если нужно снизить мощность и дроссельная заслонка закрывается;
  • и/или «стравливающего» клапана (blow-off-valve). Который стравливает наддувочный воздух в атмосферу в том случае, если дроссель закрывается и датчик массового расхода воздуха отсутствует;
  • выпускного коллектора, совместимого с турбокомпрессором;
  • герметичных патрубков: воздушных для подачи воздуха во впуск, и масляных – для охлаждения и смазки турбокомпрессора.

Низкая надежность

Наддувные двигатели состоят из большего числа агрегатов, а надежность многокомпонентной системы всегда ниже, чем у более простой. Нагрузки на детали больше из-за большей литровой мощности. Да и конструкционные материалы в автомобильной промышленности используются преимущественно недорогие. Это же вам не аэрокосмическая отрасль…

К примеру, у турбокомпрессора есть система регулирования давления наддува, которая порой может заедать и отказывать. У редакционного Volkswagen Golf уже дважды при пробеге 80 000 и 100 000 км полностью теряла подвижность тяга привода клапана перепуска газов мимо турбины.

Чем турбомотор отличается от атмосферного?

Атмосферный мотор засасывает воздух в цилиндры под действием разрежения, которое возникает, когда поршень движется к нижней мертвой точке. В большинстве случаев давление в цилиндре в конце хода впуска чуть ниже атмосферного. И вот с этим количеством воздуха и осуществляется рабочий цикл мотора. Наддувный двигатель получает на входе в цилиндр воздух, сжатый компрессором до определенного давления, а потому его в цилиндр войдет больше, чем у мотора со свободным всасыванием. Больше воздуха — больше кислорода, а значит, и топлива сгорит больше, и мощность при том же рабочем объеме поршневой части будет выше (или мотор компактнее при сохранении мощности).

Поскольку воздух в компрессоре подогревается, температуру перед подачей в цилиндр желательно снизить. Это делает специальный охладитель — интеркулер. Компрессоры могут использоваться разных типов — и с приводом от коленвала, и волновые обменники давления, но наиболее распространен турбонаддув. Последний способ использует энергию выхлопных газов для вращения центростремительной турбины, а сидящее на том же вале колесо центробежного компрессора обеспечивает сжатие воздуха перед подачей в цилиндры.

Как видим, конструкция наддувного мотора сложнее, чем атмосферника. Отсюда и первый недостаток турбомоторов.

Схема турбины с изменяемой геометрией (VNT)


Она также известна под названием – трубина с переменным соплом. Данный тип турбины используется в дизельных двигателях. Девять подвижных лопастей, установленных в турбокомпрессоре, регулируют прохождение потока газов к турбине. Увеличение и блокировка потока газов достигается при помощи привода, регулирующего угол наклона девяти лопастей. Скорость потока газов и давление нагнетаемого воздуха согласуются с количеством оборотов двигателя во время изменения угла наклона лопастей. 

Следует напомнить о том, что некоторые двигатели используют несколько турбокомпрессоров. Возможно использование двух (Твин Турбо), трех или же четырёх. В таких конструкциях они устанавливаются последовательно. Первый используется при низких оборотах, а второй — при высоких. Также существует схема установки компрессоров, при которой они располагаются параллельно друг другу. Она используется на V-образных двигателях. На каждый ряд цилиндров приходится по компрессору. Бытует мнение, что один большой турбокомпрессор менее производителен, чем два маленьких.

Механический наддув

Механические нагнетатели (по англ. supercharger) позволяют довольно простым способом существенно поднять мощность мотора.
Имея привод непосредственно от коленчатого вала двигателя, компрессор способен закачивать воздух в цилиндры при минимальных оборотах без задержки увеличивать давление наддува строго пропорционально оборотам мотора. Но у них есть и недостатки. Они снижают КПД ДВС, так как на их привод расходуется часть мощности, вырабатываемой силовым агрегатом. Системы механического наддува занимают больше места, требуют специального привода (зубчатый ремень или шестеренчатый привод) и издают повышенный шум.

Механические нагнетатели

Существует два вида механических нагнетателей: объемные и центробежные.

Типичными представителемя объемных нагнетателей являются нагнетатель Roots и компрессор Lysholm.

Конструкция Roots напоминает масляный шестеренчатый насос. Два ротора вращаются в противоположные стороны внутри овального корпуса. Оси роторов связаны между собой шестернями. Особенность такой конструкции в том, что воздух сжимается не в нагнетателе, а снаружи – в трубопроводе, попадая в пространство между корпусом и роторами. Основной недостаток – в ограниченном значении наддува. Как бы безупречно ни были подогнаны детали нагнетателя, при достижении определенного давления воздух начинает просачиваться назад, снижая КПД системы. Способов борьбы немного: увеличить скорость вращения роторов либо сделать нагнетатель двух- и даже трехступенчатым.

Таким образом можно повысить итоговые значения до приемлемого уровня, однако многоступенчатые конструкции лишены своего главного достоинства – компактности. Еще одним минусом является неравномерное нагнетание на выходе, ведь воздух подается порциями. В современных конструкциях применяются трехзубчатые роторы спиральной формы, а впускное и выпускное окна имеют треугольную форму. Благодаря этим ухищрениям нагнетатели объемного типа практически избавились от пульсирующего эффекта. Невысокие скорости вращения роторов, а следовательно, долговечность конструкции вкупе с низким шумом привели к тому, что ими щедро оснащают свою продукцию такие именитые бренды, как DaimlerChrysler, Ford и General Motors.

Объемные нагнетатели поднимают кривые мощности и крутящего момента, не изменяя их формы. Они эффективны уже на малых и средних оборотах, а это наилучшим образом сказывается на динамике разгона. Проблема лишь в том, что подобные системы очень прихотливы в изготовлении и установке, а значит, довольно дороги.

Еще один способ нагнетать во впускной коллектор воздух под избыточным давлением в свое время предложил инженер Лисхольм (Lysholm). Его детище окрестили винтовым нагнетателем, или «double screw» (двойной винт). Конструкция наддува Лисхольма чем-то напоминает обычную мясорубку.
Внутри корпуса установлены два взаимодополняющих винтовых насоса (шнека). Вращаясь в разные стороны, они захватывают порцию воздуха, сжимают и загоняют ее в цилиндры. Характерна такая система внутренним сжатием и минимальными потерями, благодаря точно выверенным зазорам.
Кроме того, винтовые наддувы эффективны практически во всем диапазоне оборотов двигателя, бесшумны, очень компактны, но чрезвычайно дороги из-за сложности в изготовлении. Однако ими не брезгуют такие именитые тюнинг-ателье, как AMG или Kleemann.

Механический наддув

Центробежные нагнетатели по конструкции напоминают турбонаддув. Избыточное давление во впускном коллекторе также создает компрессорное колесо (крыльчатка). Его радиальные лопасти захватывают и отбрасывают воздух в окружной тоннель при помощи центробежной силы. Отличие от турбонаддува лишь в приводе. Центробежные нагнетатели страдают аналогичным, хотя и менее заметным инерционным пороком, но есть и еще одна важная особенность. Фактически величина производимого давления пропорциональна квадрату скорости компрессорного колеса.

Проще говоря, вращаться оно должно очень быстро, чтобы надуть в цилиндры необходимый воздушный заряд, порой в десятки раз превышая обороты двигателя. Эффективен центробежный нагнетатель на высоких оборотах. Механические «центробежники» не так капризны в обслуживании и долговечнее газодинамических собратьев, поскольку работают при менее экстремальных температурах. Неприхотливость, а следовательно, и дешевизна конструкции снискали им популярность в сфере любительского тюнинга.

Интеркулер

Схема управления механическим нагнетателем довольно проста. При полной нагрузке заслонка перепускного трубопровода закрыта, а дроссельная открыта — весь поток воздуха поступает в двигатель. При работе с частичной нагрузкой дроссельная заслонка закрывается, а заслонка трубопровода открывается — избыток воздуха возвращается на вход нагнетателя. Входящий в схему охладитель наддувочного воздуха (Intercooler) является почти непременной составной частью не только механических, но и газотурбинных систем наддува.

При сжатии в компрессоре (либо в нагнетателе) воздух нагревается, в результате чего его плотность уменьшается. Это приводит к тому, что в рабочем объеме цилиндра воздуха, а, следовательно, и кислорода, по массе помещается меньше, чем могло бы поместиться при отсутствии нагревания. Поэтому сжатый воздух перед подачей его в цилиндры двигателя предварительно охлаждается в интеркулере. По своей конструкции это обычный радиатор, который охлаждается либо потоком набегающего воздуха, либо охлаждающей жидкостью. Понижение температуры наддувочного воздуха на 10 градусов позволяет увеличить его плотность примерно на 3%. Это, в свою очередь, позволяет увеличить мощность двигателя примерно на такой же процент.

Атмосферный двигатель: недостатки

Как и все в этом Мире, атмосферные двигатели не лишены недостатков. К таким можно отнести большой вес двигателя, меньшую мощность по сравнению с турбомотором аналогичного объема, снижение мощности при езде в горной местности или других местах, где воздух разрежен. Кроме всего прочего, атмосферник уступает турбированному двигателю в динамических показателях.

Срок службы турбин на дизельном и карбюраторном двигателях

При установке турбокомпрессора на дизельный или бензиновый двигатель предусмотрен сравнительно длительный срок эксплуатации системы турбонаддува. Часто случается, что при проведении планового обслуживания данная система работает намного дольше заявленного ресурса конкретного силового агрегата. В среднем турбина дизеля стабильно выдерживает пробег в 150 – 250 000 км. Бензиновые турбомоторы могут работать дольше дизельных при условии соблюдения правил эксплуатации авто.

Особенности работы турбины

На современных турбодизелях часто устанавливаются нагнетатели, способные управлять потоками отработавших газов. Такие устройства называются турбинами с изменяемой геометрией. В отличие от стандартных турбин изменяемая геометрия имеет существенные минусы:

  1. Сравнительно высокая стоимость.
  2. Трудно поддается ремонту.
  3. Не все службы турбосервиса берут в работу дизели, оснащенные такими турбинами.

Бензиновые аналоги получают турбины только с фиксированной геометрией. Это вызвано сверхвысокими температурами выхлопных газов, которые намного превышают температуру выхлопа дизельных моторов. Данные конструкции служат намного дольше и легко поддаются ремонту с последующей балансировкой элементов турбины.

Вам такжке может быть интересно прочитать про: ТУРБИНА С ИЗМЕНЯЕМОЙ ГЕОМЕТРИЕЙ

Причины поломок элементов турбонаддува

При возникновении неисправностей турбокомпрессора необходимо проводить срочную диагностику и устранение выявленных дефектов. При этом требуется определить причину выхода из строя важных узлов. Это позволит не допустить повторных отказов после проведенного ремонта.

Основной причиной поломки турбонагнетателей является снижение эффективности моторного масла, поступающего к рабочим деталям ротора турбокомпрессора. Известно, что смазочный материал турбомотора функционирует в экстремальных условиях:

  • повышенные нагрузки;
  • сверхвысокие температуры;
  • выполнение функции по отводу тепла.

Поэтому к данному маслу предъявлены особые требования. В систему смазки турбодвигателя должно заливаться только рекомендованное моторное масло, обладающее определенными техническими и эксплуатационными характеристиками.

Условия обеспечения бесперебойной работы турбомоторов

Если не проводится плановое сервисное техобслуживание авто с обязательной заменой смазочного материала, происходит нарушение работоспособности системы наддува. Наиболее частые поломки турбины:

  1. Ускоренный износ элементов масляного насоса.
  2. Нарушение пропускной способности масляных магистралей (отложения, нагар).
  3. Повреждения ротора турбины вследствие попадания в состав моторного масла продуктов износа деталей силового агрегата (металлических крупных фрагментов, мелких частиц).

Для продления срока службы турбокомпрессора необходимо регулярно проводить следующие мероприятия:

  • промывка картера и системы смазки силового агрегата;
  • замена маслопроводящих магистралей, моторного масла, фильтрующего элемента;
  • промывка интеркулера;
  • продувка воздушных трубопроводов;
  • демонтаж старого и установка нового воздушного фильтра.

После проведения технического обслуживания специалисты осуществляют настройки турбокомпрессора. При этом регулируется интенсивность воздушных потоков, поступающих в рабочие цилиндры, в зависимости от режимов работы мотора.

Проверка турбонагнетателя на заведенном двигателе

Проверять турбину на наддув следует так:

  • пригласите помощника;
  • запустите двигатель;
  • определите патрубок, который соединяет впускной коллектор и турбокомпрессор;
  • пережмите указанный патрубок рукой;
  • помощник должен погазовать несколько секунд;

Если компрессор работает, тогда патрубок должен будет ощутимо раздуваться. При отсутствии производительности турбины этого не произойдет. Дополнительно следует оценить общее состояние патрубков, а также исключить возможность трещин и других дефектов впускного и выпускного коллектора дизельного двигателя.

Для чего охлаждать турбину перед остановкой двигателя. Особенности работы турбокомпрессора, температура выхлопных газов, охлаждение моторным маслом.

От чего зависит срок службы турбонагнетателя дизельного ДВС. Особенности и рекомендации касательно эксплуатации и ремонта турбин с изменяемой геометрией.

Назначение и конструкция турбокомпрессора дизельного мотора. Принцип работы турбонагнетателя, особенности использования турбины на дизельном ДВС.

Назначение, особенности конструкции, место установки регулятора давления топлива инжекторного двигателя. Признаки неисправностей РДТ, проверка устройства.

Распространенные неисправности дизельного двигателя и диагностика агрегатов данного типа. Проверка топливной системы дизельного мотора, полезные советы.

Линейка дизельных двигателей CRDi Hyundai/KIA: сильные и слабые стороны моторов данного типа, особенности эксплуатации, ремонта и обслуживания.

Подведем итоги

Сегодня производители автомобилей предлагают потребителю бензиновые и дизельные двигатели. Что касается бензиновых версий, они могут быть как атмосферными, так и с наддувом. При этом турбонаддув может использоваться на рядных, оппозитных, V-образных моторах и т.д.

Обратите внимание, рассмотренные выше плюсы и минусы турбированного бензинового двигателя наглядно отражают тот факт, что атмосферный ДВС во многих случаях может оказаться более предпочтительным вариантом. Атмосферный мотор имеет больший ресурс, его проще и дешевле обслуживать, такой агрегат менее требователен к качеству бензина и смазки, не так склонен к детонации и перегревам

Если же говорить о меньшем расходе топлива на моторах с турбокомпрессором, то и в этом случае не все так однозначно.

Атмосферный мотор имеет больший ресурс, его проще и дешевле обслуживать, такой агрегат менее требователен к качеству бензина и смазки, не так склонен к детонации и перегревам. Если же говорить о меньшем расходе топлива на моторах с турбокомпрессором, то и в этом случае не все так однозначно.

Дело в том, что снижения расхода топлива за счет турбины и большей мощности редко удается добиться на практике. Особенно это утверждение справедливо в том случае, если говорить о бензиновых ДВС с турбонаддувом.

Зачастую многие владельцы таких авто в СНГ сознательно выбирают турбодвигатель, так как намерены ездить быстро и достаточно агрессивно, а сам автомобиль к этому располагает. В результате формируется характерный стиль езды и получается так, что водитель, а не машина, расходует, в среднем на 15-30% топлива больше в городском или смешанном цикле.

При этом для автолюбителей, которые практикуют спокойный стиль езды, мощность турбодвигателя вполне может оказаться попросту избыточной. В этом случае и повышенные затраты на содержание такого двигателя окажутся неоправданными. Другими словами, владелец фактически не будет использовать весь имеющийся потенциал силовой установки в полном объеме, при этом все равно нужно будет заливать дорогой бензин, чаще менять моторное масло и т.д.

Рейтинг
( Пока оценок нет )
Понравилась статья? Поделитесь с друзьями:
Great Авто
Добавить комментарий

Нажимая на кнопку "Отправить комментарий", я даю согласие на обработку персональных данных и принимаю политику конфиденциальности.

Adblock
detector