Коли говорять про гоночні або спортивні машини, часто спливає тема турбонаддуву. Турбіни незмінно супроводжують сучасні дизелі. Турбіна може суттєво збільшити потужність двигуна без значного зростання його ваги. Ця велика перевага привела до популярності турбін! Давайте розберемося, як турбіна підвищує потужність, виживаючи при цьому в екстремальних умовах роботи. Ми познайомимося з вестгейтами, керамічними лопатями турбін та підшипниками, які допомагають турбінам робити роботу ще краще. Турбіни – системи примусового нагнітання повітря. Вони стискають повітря. Стиснене повітря дає перевагу за потужністю: у двигун надходить більше повітря, а це означає, що більше палива може бути додано. Отже, кожне згоряння суміші у циліндрі дає більше потужності. Турбований двигун у загальному випадку завжди потужніший за аналогічний за обсягом атмосферний. Двигун меншої маси може видавати більше потужності за наявності наддуву. Щоб створити тиск повітря, турбіна використовує потік вихлопних газів із двигуна для розкручування своєї крильчатки, яка у свою чергу розкручує повітряний насос. Турбіна обертається з частотою до 150,000 об/хв – це у 30 разів швидше за середній двигун. Так як турбіна працює із вихлопними газами, їй доводиться витримувати великі термічні навантаження.
Турбіна дозволяє згоряти більшій кількості палива, збільшуючи кількість палива та повітря в циліндрах. Типовий додаток до тиску від турбіни – 0.3 – 0.5 бар. Оскільки атмосферний тиск на рівні моря 1 бар, легко підрахувати, що в камери згоряння потрапляє на 50% більше повітря, отже збільшення потужності має сягати 50%. Насправді, ефект виходить 30-40%. Одна з причин цієї неефективності – сила, що розкручує турбіну, не надходить ззовні. Наявність турбіни підвищує опір вихлопу. Це означає, що на відводі відпрацьованих газів двигун змушений долати зростання зворотного опору, що збільшує, що зменшує віддачу з циліндрів, в яких в цей момент відбувається згоряння.
Турбіна кріпиться на вихлопному колекторі двигуна. Вихлопні гази двигуна розкручують турбіну. Турбіна спочиває на одному валу з компресором, який розташовується між повітряним фільтром та впускним колектором. Компресор накачує повітря у циліндри. Вихлопний газ із циліндрів проходить через лопатки крильчатки турбіни, викликаючи її обертання. Чим більше вихлопних газів проходить, тим швидше крутиться турбіна. З іншого боку валу турбіни встановлюють компресор відцентрового типу - він засмоктує повітря в центрі крильчатки і розкидає його від центру через вал, що обертається. Занадто багато тиску?
Щоб працювати на швидкостях до 150,000 об/хв, вал турбіни потребує серйозного захисту. Більшість підшипників вибухають за таких швидкостей, тому турбіни часто використовують рідкі підшипники. Цей тип підшипників створює навколо валу постійний тонкий шар олії, що постійно накачується насосом. Це служить двом цілям: охолодження та зниження тертя. Перший турбонагнітач був встановлений на двигун біплана Lepere. Запатентувати ідею використання енергії вихлопних газів для розкручування крильчатки та подачі збільшеної кількості стисненого повітря в циліндри вдалося швейцарцю Бюші в 1905 році. З того часу автомобільні інженери-конструктори постійно намагаються підвищити потужність ДВС за рахунок турбін. Зараз турбокомпресорами оснащені вже практично всі мотори. Навіть агрегати з невеликими обсягами виходять потужними та економними. Однак через неякісне масло, а також несвоєчасне обслуговування система наддуву може швидко виходити з ладу, провокуючи поломки суміжних вузлів. Розберемося, як працює турбіна, з яких комплектуючих вона складається і як самостійно перевірити її щодо поломок. Сучасний турбокомпресор – це такий пристрій, який здатний зробити двигун більш потужним. При цьому збільшення габаритів силового агрегату не потрібні. Турбіна дозволяє підвищити потужнісні характеристики двигуна в середньому на 40%. Потужність збільшується за рахунок згоряння більшої кількості бензину чи дизпалива. Але подача палива має бути грамотною. Без додаткової порції повітря, процес горіння не відбудеться. Надлишки палива, що недогоріли, будуть накопичуватися, провокуючи утворення підвищеної димності, перегрів двигуна та інші неполадки. Структура оптимальної паливно-повітряної суміші складається з 1 частини пального та 14,7 частин повітря, залежить від типу двигуна, а також режиму роботи. До епохи турбін американці намагалися підвищити потужність за рахунок збільшення об'єму циліндрів.щоб у двигун могло затягуватися з атмосфери більша кількість повітря. Їхні силові агрегати мали величезні розміри та неприпустиму витрату палива. Двигун Chrysler Hemi V8, об'єм 5,4л. / 1952 р. У 1885 році Готтліб Вільгельм Даймлер вигадав перший нагнітач, який примусово заганяє повітря в циліндри. То справді був компресор (як вентилятора), привід якого здійснювався від валу двигуна. Бюші у 1905 році якісно переробив конструкцію, що дозволило зменшити розміри та вагу дизельних двигунів.. Як рушій енергії став використовуватися вихлоп. Загалом, так був придуманий турбонаддув та турбіна. Альфред Бюші запатентував перший турбокомпресор у 1905 р. Це стандартна структура турбіни. Бувають також моделі із змінною геометрією. Відрізняються вони механізмом керування та приводом. Лопатки в таких системах поворотні – дозволяють регулювати прохідний переріз для потоку вихлопу під час роботи двигуна. Клапан керування чи актуатор турбіни буває вакуумним чи електронним. Крім того, деякі турбокомпресори оснащені інтеркулером, що охолоджує стиснене повітря перед подачею в циліндри. Незважаючи на конструктивні відмінності, всі турбіни виконують одну й ту саму задачу – підвищують потужність двигуна. У машині турбіна стоїть у безпосередній близькості до двигуна.Але місце розташування турбіни залежить від двигуна та типу турбокомпресора: одинарні, подвійні і т.д. Одинарна класична турбіна зазвичай встановлюється на силові пристрої з рядним розміщенням циліндрів. Де відбувається використання енергії відпрацьованих газів абсолютно від усіх циліндрів двигуна. Повітря подається у всі циліндри відразу. На двигуни з циліндрами, розміщеними V-подібним чином, зазвичай ставлять подвійні турбіни. Коли два турбокомпресори, збільшити потужність силового агрегату легше. У таких моделях турбін може бути встановлений перехресний колектор. У ньому акумулюються вихлопні гази з усіх циліндрів, що дозволяє підвищити потужність енергії вихлопу. В результаті гази швидше розкручують крильчатку турбіни та збільшують тиск у ній. Двигун з турбіною VW (з різних боків) Загалом, в автомобілі турбокомпресор розміщують між впускним та випускним колекторами. У передньопривідних машин турбіна буде розташована зліва від двигуна, задньопривідних - справа. Турбокомпресор із змінною геометрією працює за особливою технологією. Вона дає можливість створити потужні повітропотуки вже на низах і перенаправити геометрію сопла турбіни. Місце розташування турбіни, як і в традиційних варіантів, залежить від приводу авто. Існує кілька типів турбокомпресорів. Умовно їх можна розділити на три групи: електричні, механічні чи компресор, а також турбіни, що працюють від вихлопних газів. Вони відрізняються матеріалами виготовлення, потужністю та іншими параметрами. Крім того, випускається велика кількість підтипів турбін, наприклад, зі змінною геометрією, послідовна Twin Turbo та інші.Працює кожна модель турбіни за своїм особливим алгоритмом. Пройдемося за конструкцією основних груп. Нагнітач компресорного типу підключають безпосередньо до двигуна через ременную передачу - з'єднують вал компресора і обертовий колінчастий вал. Працює агрегат лише коли запущений мотор автомобіля. Діапазон оборотів за хвилину від 18-20000. Під час функціонування механічного вигляду немає граничних температур і не з'являється ефект турбоями. Таке обладнання вимагає мінімум догляду та має досить надійну конструкцію. Однак потужність компресор здатний підвищити лише на 5-10 %. Та й знайти такий агрегат у продажу зараз досить складно. Турбіни практично витіснили конструкцію з ужитку. Приводом для турбін є відпрацьовані гази. Вони розкручують крильчатки з валом до 200000 об/хв. Загалом, равлик потрібний, щоб нагнітати велику кількість повітря в циліндри для збагачення паливно-повітряної суміші. На сьогоднішній день це найпродуктивніший варіант системи наддуву, він здатний підвищити потужність силового агрегату до 30-50%. Турбокомпресор працює з сильно нагрітими вихлопними газами, температура може сягати 950 °C. Ця особливість відбивається на ресурсі пристрою. Буває, що вже за 20-50 тис. км. пробігу свистить турбіна чи з'являються інші ознаки поломок. Але при своєчасному обслуговуванні таких неприємностей можна уникнути і ТКР буде стільки ж, як двигун. До слабких сторін класичних турбін можна віднести вимогливість до якості палива, можливість виникнення ефекту «турбоями» та масложер, що з'являється в результаті неправильної експлуатації.. Продуктивність агрегатів велика, але вони вимагають дбайливого ставлення до себе. Автоконцерни намагаються продовжити ресурс систем турбонаддуву, постійно модернізуючи турбіни. Можливо, вже скоро з'являться моделі, які будуть значно довше. Електротурбіни поєднують у собі властивості класичних равликів та механічних компресорів. Розробкою гібридних пристроїв зараз займається велика кількість компаній. Наприклад, Garett робить свої турбіни із невеликим електродвигуном. Він примусово підкручує колесо, якщо є ймовірність виникнення турбоями. Зазвичай таке відбувається на низьких оборотах. Сама технологія електричних турбін розробляється вже давно. У Garrett просувають турбіну, яка поєднана з електродвигуном. Саме такими системами надува хочуть оснастити свої автомобілі Mercedes-Benz. Електричний двигун тут може функціонувати як генератор, і як двигун. VAG, навпаки, розробляє агрегати з роздільним електрокомпресором і турбіною. Під заряджання АКБ схема не підходить. До переваг електричних турбін відносять миттєве розкручування, відмінну продуктивність та довгий ресурс. Однак є й недолік – потрібно багато енергії. З економічного погляду турбіни дуже вигідно встановлювати на автомобілі. Це простіше, ніж підвищити об'єм циліндрів або збільшити їхню кількість. Тому вже половина моделей авто оснащені турбокомпресорами: 20% бензинові агрегати, 80% - дизельні двигуни. У роботу турбіна включається після запуску турбомотора. Навіть на неодруженому ходу відпрацьовані гази потихеньку розкручують лопаті турбіни. Коли обороти підвищуються, продуктивність системи наддуву збільшується.. Показник номінального тиску турбіни залежить від типу машини: спортивні варіанти в межах 3,4 бар, звичайні легкові – від 1,4-2,5 бар. , мають місце поломки системи турбонаддува. При наявності відхилень потрібна якісна діагностика турбокомпресора. Максимальна ефективність наддуву дизелями доступна при 1800-4000 оборотах колінчастого валу.У цей час турбінне колесо розкручується до 150000 об/хв. Найвища точка продуктивності досягається на 3000-4000 об/хв. Турбіну встановлюють, щоб підвищити потужність на високих та середніх оборотах – до 30-50 %, залежно від моделі двигуна, вона не впливає, але динаміку розгону покращує пристойно. Отже, що дає турбіна: Паливо турбіна економить, а ось витрата олії збільшує. Справа в тому, що турбокомпресор вимагає якісного мастила і низькосортне масло тут застосовувати не можна. У середньому ресурс турбіни на дизелі становить 250 000 км, на бензиновому моторі трохи менше – до 150 000 км.. Але термін «життя» системи безпосередньо залежить від особливостей їзди та обслуговування. Турбіна в автомобілі знаходиться у безпосередній близькості до двигуна, але жорсткого зв'язку з колінвалом силового агрегату вона не має. Ефективність роботи системи та швидкість обертання крильчаток турбіни залежить від кількості обертів двигуна. Працює турбокомпресор від енергії вихлопних газів. Коли в моторі згоряє паливно-повітряна суміш, утворюються відпрацьовані гази, які виходять через вихлопну трубу. У випускному колекторі розміщено крильчатку, з'єднану валом з іншою крильчаткою, встановленою у впускному колекторі. Принцип робіт турбокомпресора Вихлоп, що виходить, розкручує колесо турбіни, що приводить в рух вал ротора з компресорним колесом. А вже компресорне колесо стискає повітряний потік, направляє його в інтеркулер (якщо він є) і далі в циліндри. Так у турбомотор потрапляє більше повітря та більше палива. Така паливно-повітряна суміш краще згоряє, збільшуючи потужність силового агрегату. Від кількості вихлопних газів, що потрапляють у турбіну, залежить швидкість обертання крильчаток. Чим більше, тим більше повітря потраплятиме в циліндри.Але самі собою відпрацьовані гази дуже гарячі, вони здатні перегрівати турбокомпресор і надмірно нагрівають повітря. Тому в багатьох моделях у конструкцію турбонаддува включений інтеркулер – радіатор охолодження. Потрапляючи всередину цього радіатора, повітряний потік остигає до потрібної температури і тільки тоді направляється в циліндри. Це значно підвищує ККД та дає можливість мінімізувати ризик закипання двигуна. Загалом, турбіна дозволяє зняти навіть з малого робочого об'єму пристойну потужність. При цьому немає необхідності збільшувати вагу двигуна. Втрати тертя також мінімальні. Ці переваги роблять турбомотори дуже затребуваними. Вони більш економні, якщо порівнювати з атмосферниками такої ж потужності. Класичні турбіни не позбавлені недоліків. Їх крильчатка здатна розігнатися до 200000 об/хв. Велика інерційність агрегату сприяє утворенню "турбоями" - затримка збільшення потужності мотора, що з'являється при різкому натисканні на педаль газу. А після виходу з "турбоями" має місце надмірне збільшення тиску наддуву, так званий турбопідхоплення. Щоб зменшити інерційність та уникнути негативних наслідків турбокомпресорів, були розроблені нові технології для створення турбін — «Бітурбо», а також «Твінтурбо». І в першому, і в другому варіанті використовують дві невеликі турбіни. Особливих відмінностей у конструкціях пристроїв немає. Виробники просто по-різному називають здвоєну турбіну. Подвійні турбіни дозволяють уникнути "турбоями". Допомагають знизити витрату палива та збільшити потужність двигуна. Розрізняються комбіновані турбокомпресори схемами підключення. Варіації підключення наддуву: Турбіни Twin-turbo або Biturbo встановлюються на дизелі, а також бензинові мотори. У бензинових агрегатах системи більш вимогливі до палива, що заливається. До переваг технологій «Бітурбо», а також «Твінтурбо» слід віднести відсутність явища «турбоями», відмінну динаміку, більш екологічний вихлоп і істотне збільшення потужності. Недоліків у турбін не так багато, але вони є: складна конструкція, що коштують дорожче класичних турбін, відносно дорогий ремонт. Навіщо потрібно періодично перевіряти, чи справна турбіна? Тому що агрегат сам по собі не ламається. Якщо спостерігаються зміни у роботі агрегату, то найчастіше це результат виходу з ладу сусідніх вузлів. Хоча внутрішні деталі турбокомпресора теж можуть зношуватися та вимагати заміни. Неможливо не помітити збої у роботі турбіни. Відразу ж змінюються ходові якості — куди б ви не поїхали, автомобіль нормально розігнати не виходить. Особливо погіршення динаміки спостерігається під час руху на підйом. Двигун дуже погано набирає обертів. З'являються інші неприємні ознаки виходу з ладу системи турбонаддува: вихлоп змінює колір, масложер і т.д. буд. Точну діагностику несправностей турбіни роблять у сервісі спеціальному устаткуванні. Щоб виконати таку перевірку, турбокомпресор потрібно демонтувати, що не завжди зручно. Однак є способи, що допомагають перевірити турбонагнітач без зняття з двигуна. Самостійна діагностика турбіни: Крім того, при поломках турбіни на панелі приладів загоряється значок Check engine. Перевірити турбіну на дизелі можна і за допомогою патрубка, що з'єднує равлик і впускний колектор. Для проведення діагностики потрібен помічник. Слід запустити двигун, перетиснути цей патрубок та відпустити його. Другій людині потрібно погазувати близько 3 секунд. У справному турбокомпресорі патрубок роздмухується під дією тиску. При огляді вузлів системи турбонаддува слід пам'ятати, що крильчатки турбіни повинні бути без зазубрин та інших пошкоджень. Якщо має місце дефект лопаток, потрібно вирішувати, як краще зробити: ремонтувати чи купити нову турбіну. Деякі поломки не можна виявити без зняття турбокомпресора. Після демонтажу турбіни перевіряють наявність люфту: радіального та осьового. У першому варіанті допускається трохи більше 1 мм, осьовий люфт – 0,05 мм. Ретельно обстежити слід і корпус турбіни, а також перевірити на герметичність усі патрубки. Якщо в системі є інтеркулер, його необхідно оглянути. Усередині радіатора не повинно бути олії (допускається до 30 мл). Щоб турбіна довго не ламалася і змогла відпрацювати заявлений виробниками ресурс, потрібно вчасно її обслуговувати. На термін служби впливає і манера водіння. Занадто активна їзда без охолодження може швидко вивести турбіну з ладу. Тому після інтенсивних «покатушок» потрібно постояти кілька хвилин на неодружених і лише потім глушити мотор. За цей час циркулююча олія охолодить конструкцію турбіни до нормальної температури. Щоб довго не чекати охолодження турбомотора, рекомендується перед паркуванням їхати у спокійному режимі. А якщо надовго потрапили у затор, то не варто різко прискорюватися. Інакше можна спровокувати критичний перегрів, адже двигун із турбіною і так будуть занадто нагріті від тривалого простою без руху. Турбіна постійно піддається високим навантаженням. У процесі їзди краще дотримуватися середніх обертів. Іноді необхідно розганяти двигун до дуже високих оборотів, щоб у системі турбонаддува активувався природний процес очищення. У зимовий час потрібно мотору та турбіні дати трохи прогрітися і тільки потім рушати.. Не можна допускати перегазування. Особлива увага повинна приділятися якості олії та пального. Вчасно потрібно міняти моторне масло та фільтри. Ну і, звичайно, слід часто перевіряти рівень моторного масла, а не лише перед дальньою поїздкою. Якщо рівень падає, підшипники недоотримують необхідної кількості мастила. Це призводить до швидкого зношування деталей турбіни. Тут уже потрібно розбиратися, куди йде масло. Можливо, зламався масляний насос або масляна система розгерметизувалася. Бережна їзда та своєчасне обслуговування вбережуть турбіну від виходу з ладу. У разі своєчасного виявлення поломок можливий ремонт турбіни своїми руками. Іноді достатньо лише підтягнути хомути чи замінити ремкомплект. Безперечною перевагою двигунів з турбіною є підвищена потужність. З таким же обсягом циліндрів атмосферник буде слабшим на 30-50%, залежить від моделі. Однак у автомобілях із турбонаддувом є й слабкі сторони.Розберемося з перевагами та можливими недоліками докладніше. Турбіни мають багато переваг, але і мінусів достатньо. Хоча при правильній експлуатації витрати на ремонт системи наддуву будуть мінімальними. А від ефекту «турбоями» допомагають позбутися турбокомпресори зі змінною геометрією та моделі Biturbo/Twin-turbo.Як працюють турбіни
Щоб зняти більше потужності з двигуна необхідно збільшити кількість паливно-повітряної суміші, яка згоряє в циліндрах. Один із способів – додати кількість циліндрів або збільшити їх об'єм. Часто ці зміни дуже дорогі. Турбіна дешевше додає потужність, і саме тому вона така популярна на вторинному ринку.
Розташування турбіни в машині
Турбіна та її зовнішні компоненти
Повітря закачується в циліндри під тиск і далі стискується поршнями. У цьому полягає небезпека – детонація. Детонація відбувається через різке підвищення температури повітря, у якому паливна суміш згоряє до займання свічки.Тому турбовані машини зазвичай їздять на високооктановому паливі, щоб не доводити справу до детонації. Якщо тиск наддуву дуже високий, компресію двигуна можна зменшити, щоб не переходити в детонацію.
У наступному розділі розглянемо компроміси, на які змушені йти інженери при проектуванні турбонаддува.Що таке турбіна, принцип роботи турбокомпресора в автомобілі
Що таке турбіна
З чого складається автомобільна турбіна
Де розташована турбіна в авто
Які бувають види турбін
Механічні компресори
Стандартні турбіни
Електричний тип турбін
Коли включається турбіна на дизельному та бензиновому двигуні
Що дає турбіна автомобілю та наскільки вона підвищує потужність
Як працює турбіна на автомобілі
Принцип роботи турбокомпресора
Технології Twin-turbo та Biturbo
Як перевірити чи працює турбіна на автомобілі
Як правильно їздити на дизелі з турбіною
Плюси та мінуси турбонаддуву