Как работает турбина на дизельном двигателе

Разрушители легенд. Турбонаддув дизеля. Часть №1. Обзорно-болталогическая.

Для того чтобы ПОЛНОСТЬЮ сжечь 1кг горючего(любого углеводородного) нужно около 3,5 кг кислорода. Такое количество кислорода содержится в 15кг воздуха.

Соответственно мощность двигателя напрямую зависит от его "литража". Чем больше воздуха мы сможем загнать в камеру сгорания — тем больше топлива мы сможем спалить — тем больше энергии сможем получить на коленвалу.

Турбокомпрессор выполняет две функции. С одной стороны он позволяет напихать в камеру сгорания гораздо больше воздуха и получить с того же объёма двигателя гораздо больше мощности. С другой стороны — он утилизирует энергию выхлопных газов и реализует цикл с продолженным расширением, который увеличивает общий КПД двигателя.
Если сказать человеческим языком — то ЧАСТЬ работы по сжатию воздуха в турбодизеле перекладывается с поршневой на турбокомпрессор. Турбокомпрессор работает на энергии выхлопных газов(которые обычно просто выбрасываются в атмосферу) — соответственно непосредственно сам двигатель получает возможность больше мощности передавать на колёса.

МЕХАНИЧЕСКИЕ нагрузки на кривошипно-шатунный механизм при турбировании ДИЗЕЛЯ возрастают незначительно — это позволяет не сильно морочаться вопросами прочности и ресурса турбируемого атмосферника.

Казалось бы всё замечательно. НО!

Разработка современных двигателей уже давно пляшет от экологического законодательства, которое напрямую определяет режимы сгорания топлива в камере сгорания. На НОМИНАЛЬНОМ(не максимальном! это важно!) режиме работы двигателя в связке с турбиной процессы сгорания доводятся до некоего оптимума. При этом некоторые характеристики конструкции непосредственно самого турбодвигателя получаются заметно отличающимися от его атмосферного аналога. В первую очередь отличается степень сжатия — в цилиндры воздуха поступает больше за счёт турбокомпрессора, но поршнями этот воздух сжимается слабее — фактическое давление в конце такта сжатия практически одинаковое получается и у атмосферника и у турбодвигателя.
На НОМИНАЛЬНОМ РЕЖИМЕ турбокомпрессора.
Потому ничего там в турбодизеле лучше не сгорает. Сказки дедушки Ергена. Лучшее сгорание — больше окислов азота, а это недопустимо. Потому процессы сгорания одинаковы на НОМИНАЛЬНОМ РЕЖИМЕ и однозначно хуже у турбодизеля на всех остальных режимах. Почему?

Давайте посмотрим подробнее, что происходит с турбодизелем на ВСЕХ режимах его работы и насколько отличаются его характеристики от атмосферного дизеля.

В интернет-обзорах обычно втюхивают для сравнения два типа дизелей одинакового ОБЪЁМА. Мне не кажется такое сравнение корректным — это как сравнивать… трёхлитровый двигатель и… пятилитровый…
Я ни разу не встречал сравнения турбодизеля и атмодизеля с разницей в объёме ОБРАТНО-пропорциональной заявляемому с трепетом превосходству турбодизеля. И это неспроста.
Я потому и предлагаю сравнить три дизеля.
Они стары как говно мамонта, но до сих пор бодры и распространены.

Первый(2L) — атмосферный вихрекамерный дизель-прародитель.
Два других — форсированные потомки ОДИНАКОВОЙ МАКСИМАЛЬНОЙ МОЩНОСТИ.

НО!
Один(2LTE) — форсировали турбиной, а другой(5L) — простым наращиванием объёма:
2L… … …22:1…2446куб.см… 85лс 4000RPM…165Н/м 2400RPM…Атмо
2LTE… …21:1…2446куб.см… 97лс 4000RPM…221Н/м 2400RPM…Турбо
5L… … …22:1…2986куб.см… 97лс 4000RPM…192Н/м 2400RPM…Атмо

Эта линейка удобна тем, что это практически один и тот же агрегат до последнего болтика. Потомки 2L имеют одинаковую максимальную мощность и с точки зрения обычного автопотребителя это должны быть абсолютно равнозначные двигатели. Есть куча реальных водителей, попробовавших и то и другое во всех мыслимых и немыслимых режимах — они не дадут соврать. Нихрена это не равнозначные двигатели, хоть МАКСИМАЛЬНАЯ мощность у них и одинаковая.
Вот и давайте немного "поэксплуатируем" эти ДВА дизеля-потомка в реальных условиях:

1). Запуск и холостой ход.
Турбодизель отличается от атмосферного аналога двумя вещами — пониженной степенью сжатия и пониженным литражём. И первое и второе дополняется турбиной. НО! Только на НОМИНАЛЬНОМ РЕЖИМЕ! При работе на холостом ходу и сам турбонагнетатель и интеркулер(если есть) и гораздо более протяжённый впускной коллектор оказывают только лишнее сопротивление. При запуске(особенно на морозе) пониженная степень сжатия турбодизеля способствует худшим пусковым свойствам. Меньший литраж турбодизеля подразумевает несколько меньший расход топлива на холостом ходу — но за счёт меньшей степени сжатия и высоких насосных потерь во впускной системе реальный расход топлива редко отличается заметно.
Итог сравнения — паритет.

2). Режим низких нагрузок и низких оборотов.
Этот режим также характеризуется СОПРОТИВЛЕНИЕМ всего впускного тракта и РАЗРЯЖЕНИЕМ на впуске. Поскольку турбодизель имеет меньший литраж и степень сжатия — то мы имеем на этом режиме НАМНОГО(до 30%) МЕНЬШИЙ момент турбодизеля, чем у атмосферного аналога.
Итог сравнения — явный и несомненный проигрыш турбодизеля.

3). Режим средних нагрузок и оборотов.
Этот режим характеризуется выходом турбонагнетателя на рабочий режим — создание избыточного давления во впускном тракте. Но избыточное — это ещё не НОМИНАЛЬНОЕ. До тех пор, пока давление турбонагнетателя не приблизится к НОМИНАЛЬНОМУ — характеристики турбодизеля будут отставать от характеристик атмосферного аналога.
Из приятных новостей — турбина потихоньку начинает вступать в процесс утилизации энергии выхлопных газов и по мере роста создаваемого ей давления общий КПД двигателя стремительно растёт. Соответственно падает расход топлива по сравнению с атмосферным дизелем.
Итог сравнения — по мере приближения к номинальному режиму характеристики дизелей сближаются. Турбодизель всё так же обладает меньшей мощностью, но и потребляет чуть меньше топлива.
Есть ещё один фактор, который обычно выпускают из поля зрения подобных сравнений. Это инерционность турбонагнетателя. Приотпустив даже на мгновение педаль газа — мы не получим вновь прежнюю мощность от двигателя, пока турбонагнетатель опять не выйдет на режим. Турбояма на этом режиме очень досаждает.
Особенно на высокогорье.

4). Номинальный режим.
Именно на этом режиме проявляются все плюсы турбодизеля. К сожалению на дизеле с примитивным турбонагнетателем этот участок очень узкий — не более 500-700 оборотов. Именно в точке достижения номинального давления турбонагнетатель и обладает максимальным КПД. Потому и двигатель в этой ТОЧКЕ(для 2LTE это приблизительно 2400 оборотов) обладает максимальным превосходством перед атмосферным аналогом в плане расхода топлива. Турбонагнетатель с изменяемой геометрией имеет более широкую полку максимальной эффективности, но обычно она смещена в сторону низких оборотов.
Самый большой плюс — в районе НОМИНАЛЬНОГО режима МОМЕНТ турбодизеля заметно превосходит момент атмосферного аналога. Т.е. и МОЩНОСТЬ турбодизеля на ЭТОМ режиме будет ВЫШЕ мощности атмосферника.
Правда КОЭФФИЦИЕНТ ПРИСПОСОБЛЯЕМОСТИ у турбодизеля по моменту — меньше на 4%, а по оборотам — почти на 8%, соответственно турбодизель ещё хуже, чем даже атмосферный дизель(а уж тем более бензинка) подходит для транспортных средств.
Итог сравнения — явный выигрыш турбодизеля как в плане МОМЕНТА, так и в плане расхода. Отрыв определяется характеристиками турбонагнетателя. Правда "явный" выигрыш — это не значит "большой". Конкретно 2LTE имеет МАКСИМАЛЬНЫЙ момент на 13% больше, чем у 5L и на 25% больше, чем у 2L.
Современные турбодизеля с твинтурбо и эффективным интеркулером могут иметь момент(а потому и мощность) на этом режиме в 1,5-2 РАЗА(!) выше чем у атмосферника. И CommonReal здесь совершенно ни при чём — весь прирост тяги обуславливается исключительно турбонаддувом…

За счёт высокого количества выхлопных газов турбонагнетатель на ЭТОМ режиме "скисает" не сильно даже при полностью отпущенной педали газа и турбояма потому выражена слабо.

5). Сверхноминальный режим — режим близкий к максимальной мощности и максимальным оборотам.
По мере увеличения количества выхлопных газов — часть их начинает перепускаться в обход турбонагнетателя перепускным клапаном — соответственно всё бОльшая часть энергии выхлопных газов перестаёт утилизироваться.
Да и непосредственно сам турбокомпрессор(крайне нелинейный агрегат) стремительно теряет КПД. За счёт всё бОльшего сопротивления турбокомпрессора давление перед турбинным колесом стремительно нарастает — выхлопные газы уже не самостоятельно покидают цилиндр, а их бОльшую часть приходится выдавливать поршнем:

Продувка цилиндров стремительно ухудшается — всё больше отработанных газов остаётся в камере сгорания, количество кислорода снижается, горение затягивается, температура растёт. Получается некая аналогия системы ЕГР. Хоть сама система ЕГР и отключается на этих режимах — это помогает слабо. Турбодизель настолько стремительно теряет момент с ростом нагрузки и оборотов, что на оборотах максимальной мощности сравнивается с атмосферником.
Повышенное давление во впускном коллекторе перестаёт играть положительную роль ПОЛНОСТЬЮ. И даже хуже — затраты на создание этого давления никуда не деваются — потому турбодизель потребляет намного(чуть ли не в разы) больше топлива и потому намного сильнее греется, чем его атмосферный аналог. Шутка ли — у турбодизеля на впуске под 1 атмосферу избытка, у атмосферника на впуске — разрежение на уровне 0.2-0.3атм, а мощность вырабатывается ОДИНАКОВАЯ.
Если же сравнить максимальную мощность атмосферника и турбодизеля одинакового ОБЪЁМА — то выигрыш у турбодизеля всего 12%.
Итог сравнения — очередной провал турбодизеля.

Итак. Что мы имеем в сухом остатке?

Минусы:
БОльший вес и сложность турбодизеля.
Меньший моторесурс и надёжность. Повышенная требовательность к качеству смазочных материалов.
БОльший расход и склонность к перегреву под повышенной нагрузкой.
Высокая нелинейность и латентность мощностных характеристик.
Меньший коэффициент приспособляемости к нагрузке.

Плюсы:
На номинальном режиме турбодизель кушает чуть меньше топлива, при этом обладает небольшим запасом крутящего момента. Потому при необходимости может выдать до 15-20% момента больше, чем атмосферник ОДИНАКОВОЙ МАКСИМАЛЬНОЙ МОЩНОСТИ(и до 20-35% больше чем атмосферник ОДИНАКОВОГО ОБЪЁМА), правда уже при непропорционально бОльшем расходе топлива и тепловыделении.

Эта непропорциональность вызвана не только "насыщением" турбонагнетателя, но и неким "насыщением" топливной аппаратуры. Дизельная топливная аппаратура, как и всё в современном двигателе, заточена под НОМИНАЛЬНЫЙ режим и экологию. Потому впрыск дизельного топлива осуществляется настолько медленно, насколько это возможно. И точкой оптимизации является НОМИНАЛЬНЫЙ режим. Но после превышения номинального режима длительность впрыска(а в существующих ПЛУНЖЕРНЫХ топливных системах количество впрыскиваемого топлива определяется именно ВРЕМЕНЕМ впрыска) становится настолько продолжительной, что значительная часть топлива впрыскивается в камеру сгорания турбодизеля намного позже оптимального момента и больше греет двигатель, чем влияет на его мощность. Этого ПРИНЦИПИАЛЬНОГО недостатка лишены топливные аппаратуры CommonRail, но в реальности двигателя с CommonRail должны соответствовать ещё более жёстким экологическим нормам и потому топливо впрыскивают ещё дольше для борьбы с окислами азота…
При этом выделяется херова туча сажи, которую улавливают сажевым фильтром. Выгорает эта сажа даже в присутствии катализаторов не на всех режимах, потому CommonRail осуществляет дополнительный подвпрыск топлива для поддержания высокой(до +600С) температуры выхлопа. Именно поэтому расход дизелей с CommonRail не настолько низок, как этого следовало бы ожидать…

Конечно, я мог бы сравнивать дизеля одинакового объёма. Тогда недостатки турбодизеля были бы заметно скромнее, а достоинства — выпяченнее. К сожалению жизнь показывает, что при всём прогрессе на замену 4,2 литровому 6-горшковому атмосфэрнику нам почему-то предлагают не 6,5 литрового V8 дизельного твинтурбо, а втюхивают 3-ёх литрового турбозадохлика…
У задохлика крутой нрав и высокая потенция высокий потенциал. "Но пушки есть пушки", как говаривал Рафаэль Саббатини… Объём есть объём и никакая турбина его не переплюнет. Особенно на автомобиле, предназначенном для движения в сложных дорожных условиях.
Потому следующие мои статьи будут посвящены тому — как сделать из задохлика(ZD30) человека.
Дома. На коленке.

Пока же я предлагаю в качестве домашнего задания сравнить аж целых пять реинкарнаций всеми нами любимого ZD30:

Первый(ZD30DD) — атмосферный прямовпрысковый дизель-прародитель:
ZD30DD…18,5:1…2953куб.см…105лс@3800RPM…230Nm@2000RPM

Второй(ZD30DDT) — турбо-вариант с VGT-турбиной
ZD30DDT…18:1…2953куб.см…148лс@3400RPM…314Nm@2000RPM

Третий(ZD30DDTi) — турбо-вариант с VGT-турбиной и интеркулером
ZD30DDTi…18:1…2953куб.см…170лс@3600RPM…353Nm@1800RPM

Четвёртый(ZD30 CR) — COMMON RAIL турбо-вариант с VGT-турбиной и интеркулером
ZD30 CR…18:1…2953куб.см…150лс@3400RPM…350Nm@1200-2800RPM

Пятый(ZD30 CR TTi) — COMMON RAIL TWIN-турбо-вариант c интеркулером
ZD30 CR TTi…18:1.2953куб.см…170лс@2600PRM…540Nm@1400-2200RPM

Очень наглядно прослеживается влияние турбины, интеркулера и COMMON RAIL.
Как видно по характеристикам — нулевой эффективностью обладает только COMMON RAIL.

VGT-турбина с интеркулером обеспечивают уже полуторократное(прогресс на месте не стоИт) преимущество в моменте над атмосферным прародителем.
Вероятно 4,5 литровый атмосферник ещё можно сделать сопоставимым по массе и размерам? Неважно…
Форсированный TWIN-турбо-вариант c интеркулером обладает моментом уже 540Nm(удвоенным по сравнению с атмосферником) начиная уже с 1200-1400 оборотов и таскает восьмитонник Nissan NT500:

Мне было бы очень интересно посмотреть на поршня этого TWIN-турбового ZD30 — они такие же облегчённые, как и на обычном ZD30? Если такие же — значит перегревается и разрушается обычный задохлик исключительно благодаря косякам в системе охлаждения…

Для конкуренции по максимальному моменту понадобится уже 7-ми литровый атмосферник…
Так что турбина — это бОльшая половина СОВРЕМЕННОГО дизеля и от этого факта никуда уже не деться.
Современный турбодизель с высоким наддувом(3-4 бар избытка) за счёт современных материалов и технологий выглядит намного более выигрышно, чем рассмотренные выше модели 90-ых и 2000-ых годов.
Всё чаще мне попадаются обзоры современных дизелей с объёмом уже около 2(!) литров и характеристиками 4-5-6 литровых старых дизелей. Догадайтесь с трёх раз — за счёт чего они имеют заявленный крутящий момент?

Кому интересно — почитайте и, например, вот это — www.drive2.ru/l/490025395538624709/
со ссылками. Даже гадать отказываюсь — сколько они вдули в этот дизель, что степень сжатия пришлось снижать до 14…
Подобные статьи примечательны ещё и тем, что все теоретические выкладки в них — чистейший бред и откровенные подтасовки. Судя по всему — это теперь трэнд.

Самое интересное — как шарикомалят со степенью сжатия. Но про степень сжатия вплотную поговорим в другой раз.

Турбины дизельных двигателей – устройство и принцип работы

Начало массового производства грузовых машин с турбированным дизельным двигателем началось еще в 80-е годы, с развитием производства тяжёлых промышленных и сельскохозяйственных тракторов.

Дизельные моторы имеют гораздо большую степень сжатия воздуха, а их выхлопные газы – более низкую температуру. Требования к жаропрочности турбины гораздо меньше, а её стоимость и эффективность использования – больше. Турбокомпрессор выполняет задачу по нагнетанию воздуха под давлением в цилиндры мотора. Чем больше будет воздуха, тем больше топлива можно сжечь, что приведет к увеличению мощности двигателя без увеличения объема имеющихся цилиндров.

В нашем автосервисе можно произвести диагностику и ремонт дизельных турбин любых производителей. Специалисты сервиса работают на современном оборудовании (стендах), и имеют большой опыт. Монтаж и демонтаж на месте. Гарантия на работы 2 года.

Типы дизельных компрессоров

• Раздельныйкомпрессор – имеет два сопла для каждой пары цилиндров, и два входа для отработавших газов. Первое сопло предназначено для быстрого реагирования, второе служит для максимальной производительности. В конструкции есть разделенные выпускные каналы. Это сделано для предотвращения перекрытия каналов при выпуске выхлопных газов.
• Компрессор с переменным соплом – турбина с изменяемой геометрией, применяется на моторах с маркировкой TDI от «Фольксваген». Здесь в конструкции имеется 9 подвижных лопастей. Они могут регулировать поток выхлопных газов, что идут к турбине. Угол наклона лопастей – регулируемый, что позволяет согласовать давление нагнетаемого воздуха и скорость движения газов с оборотами ДВС.

Для большей производительности на автомобиль может быть установлено два компрессора. Такие системы получили маркировку «Твин-турбо».

Устанавливаются данные механизмы последовательно. При этом первая турбина работает на низких оборотах, а вторая на высоких. На V-образных моторах нагнетатели устанавливаются параллельно (на каждый ряд по одной турбине). Как показывает практика, установка двух небольших компрессоров значительно эффективнее, чем применение одного, но большого.

Устройство турбины дизельного двигателя

Турбонаддув имеет конструкцию из двух элементов: турбина и компрессор.

• Турбина состоит из корпуса с ротором внутри. Поскольку все элементы устройства взаимодействуют с газами высокой температуры, они изготавливаются из специальных материалов, невосприимчивых к такому воздействию.
• Компрессор усиливает поступление воздуха в топливную систему. Составные части компрессора находятся в алюминиевом корпусе. Внутри находится ротор, закрепленный на оси турбины. Вращаясь, ротор вбирает воздух: большая скорость вращения приводит к большему количеству попавшего внутрь воздуха. Для набора скорости существует турбина.

Ротор и ось, на которой он закреплен, вращаются в разных направлениях. Частота вращения довольно велика, поэтому элементы плотно прижимаются друг к другу.

Принцип работы дизельной турбины

• Компрессор обеспечивает поступление воздуха из окружающей среды, который смешивается с дизельным топливом и затем направляется в цилиндры
• Топливно-воздушная смесь загорается, начинают двигаться поршни. По ходу этого процесса образуются газы, поступающие в выпускной коллектор
• Скорость движения газов, оказавшихся в корпусе, значительно возрастает. Вступая во взаимодействие с ротором, они приводят его во вращающееся положение
• Вращение передается компрессорному ротору (за это отвечает вал), который снова втягивает новую порцию воздуха

Работа основывается на принципе: чем сильнее вращается ротор, тем больше поступает воздуха, но при этом ротор увеличивает скорость вращения, если количество воздуха возрастает.

Чтобы понять работу турбонаддува, надо уяснить что такое – турбоподхват и турбояма.

• Турбоподхват – ситуация, когда набравший скорость ротор увеличивает поступление воздуха в цилиндры, следствием чего становится повышение мощности двигателя.
• Турбояма – момент небольшой задержки, наблюдаемый в работе турбины при увеличении количества поступившего горючего, что достигается нажатием на педаль газа. Задержка вызвана временем, которое нужно ротору для его разгона газами.
  Крыльчатка турбокомпрессора способна развивать до двухсот тысяч оборотов в минуту, благодаря чему данное устройство отличается большой инерционностью или, говоря иначе, имеет «турбо-яму», которая проявляется при резком нажатии на педаль газа. В этот момент крыльчатка медленно приводится в движение, и приходится некоторое время ждать, чтобы автомобиль начал набирать скорость.
  Этот эффект имеет продолжительность всего несколько секунд, но, тем не менее, он не доставляет особого удовольствия при разгоне машины. На сегодняшний день производители смогли устранить эффект «турбо-ямы» путем установки двух перепускных клапанов. Один предназначен для выработанных газов, задача второго состоит в том, чтобы перепускать избыток воздуха в трубопровод турбокомпрессора из впускного коллектора.
  Благодаря этой системе обороты крыльчатки при сбросе газа уменьшаются в замедленном темпе, в то время как при резком нажатии на педаль акселератора происходит поступление воздушной массы в двигатель в полном объеме.

Турбонаддув увеличивает давление отработанных газов за счет более интенсивной работы двигателя. В то же самое время повышается и давление наддува: этот процесс требует контроля и регулировки, поскольку при достижении высоких значений велика вероятность поломки. Функции регулировки давления возложены на клапан, контролем предельно возможных значений занимаются мембрана и пружина с определенными значениями жесткости (когда достигается максимально допустимая величина, мембрана открывает клапан).

Контроль давления при работе турбины

• Компрессор через клапан, дабы снизить давление, сбрасывает лишний забранный воздух;
• Когда давление поступившего воздуха достигает максимально допустимой величины, клапан выпускает газы, и ротор вращается с требуемой скоростью, а компрессор всегда забирает только нужное количество воздуха.

Правила эксплуатации

Чтобы дизельная турбина работала с максимальным КПД и как можно дольше не выходила из строя, нужно придерживаться определенных правил в процессе эксплуатации автомобиля:

• Придерживаться графика замены масла, что позволит не допустить засорения маслопровода абразивами;
• Использовать качественное моторное масло, соответствующее по характеристикам в паспорте двигателя;
• Не трогаться сразу после включения мотора – движок должен быть прогрет;
• Сразу после прекращения движения не выключать двигатель, дав ему хотя бы 10 секунд поработать на холостых оборотах.

Использование двух турбокомпрессоров

Также все чаще стали выпускаться дизельные двигатели с двумя турбинами (Bi-Turbo), что позволяет производителям не только добиваться потрясающий мощности от дизельных автомобилей, но снижать уровень вредных веществ в выхлопе до рекордных значений.

Недавно также стали появляться турбины, которые могут работать, как от электричества, так и традиционно от газа, поступающего из выхлопной системы. Благодаря этому инженеры добились максимальной мощности и крутящего момента при небольших оборотах двигателя.

На некоторые двигатели устанавливается два турбокомпрессора разного размера. Малый турбокомпрессор быстрее набирает обороты, снижая тем самым задержку ускорения, а большой обеспечивает больший наддув при высокой скорости вращения двигателя.

Когда воздух сжимается, он нагревается, а при нагревании воздух расширяется. Поэтому повышение давления от турбокомпрессора происходит в результате нагревания воздуха до его впуска в двигатель. Для того, чтобы увеличить мощность двигателя, необходимо впустить в цилиндр как можно больше молекул воздуха, при этом не обязательно сжимать воздух сильнее.

Дополнительные устройства

Охладитель воздуха или охладитель наддувочного воздуха является дополнительным устройством, которое выглядит как радиатор, только воздух проходит как внутри, так и снаружи охладителя. При впуске воздух проходит через герметичный канал в охладитель, при этом более холодный воздух подается снаружи по ребрам при помощи вентиляторов охлаждения двигателя.

Охладитель увеличивает мощность двигателя, охлаждая сжатый воздух от компрессора перед его подачей в двигатель. Это значит, что если турбокомпрессор сжимает воздух под давлением 7 фунт/дюйм2 (0,5 бар), охладитель осуществит подачу охлажденного воздуха под давлением 7 фунт/дюйм2 (0,5 бар), который является более плотным и содержит больше молекул, чем теплый воздух. Турбокомпрессоры также обладают преимуществом на большой высоте, где плотность воздуха ниже. Обычные двигатели будут работать слабее на большой высоте над уровнем моря, т.к. на каждый ход поршня подаваемая масса воздуха будет меньше. Мощность двигателя с турбокомпрессором также снизится, но менее заметно, т.к. разреженный воздух легче сжимать.

При установке мощного турбокомпрессора на двигатель с впрыском топлива, система может не обеспечить необходимое количество топлива — либо программное обеспечение контроллера не допустит, либо инжекторы и насос не смогут осуществить необходимую подачу. В этом случае необходимо осуществлять уже другие модификации для максимального использования преимуществ турбокомпрессора.

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.

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, второй при высоких. Также существует схема установки компрессоров, при которой они располагаются параллельно друг другу. Такая система используется на V-образных двигателях. На каждый ряд цилиндров приходится по компрессору.

Принцип работы турбины на дизельном двигателе

Турбонаддув обязан свои появлением пресловутой немецкой рачительности и практичности во всём. Ещё Рудольфу Дизелю и Готлибу Даймлеру, в конце XIX века, не давал покоя такой вопрос. Как же так: выхлопные газы просто так выбрасываются в трубу, а энергия, которой они обладают, не приносит никакой пользы? Непорядок… В веке двадцать первом, двигатели, оснащённые турбиной, давно перестали быть экзотикой и используются повсеместно, на самой разной технике. Почему турбины получили распространение прежде всего на дизельных двигателях и каков принцип работы этих полезных агрегатов, разберём далее – в строго научно-популярной, но наглядной и понятной каждому форме.

Об истории изобретения и внедрения турбонаддува

Итак, идея «пустить в дело» энергию отработанных выхлопных газов появилась уже вскоре после изобретения и успешных опытов применения двигателей внутреннего сгорания. Немецкие инженеры и первопроходцы автомобиле- и тракторостроения, во главе с Дизелем и Даймлером, провели первые опыты по повышению мощности двигателя и снижению расхода топлива с помощью нагнетания сжатого воздуха от выхлопов.

Готдиб Даймлер выпускал вот такие автомобили, а уже задумывался о внедрении системы турбонаддува

Но первым, кто построил первый эффективно работающий турбокомпрессор, стали не они, а другой инженер – Альфред Бюхи. В 1911 году он получил патент на своё изобретение. Первые турбины были таковы, что использовать их было возможно и целесообразно только на крупных двигателях (например, судовых).

Далее турбокомпрессоры начали использоваться в авиационной промышленности. Начиная с 30-х годов ХХ века, в Соединённых Штатах регулярно запускались в «серию» военные самолёты (как истребители, так и бомбардировщики), бензиновые двигатели которых были оснащены турбонагнетателями. А первая в истории грузовая автомашина с турбированным дизельным мотором была сделана в 1938 году.

В 60-е годы корпорация «Дженерал Моторс» выпустила первые легковые «Шевроле» и «Олдсмобили» с бензиновыми карбюраторными двигателями, оснащёнными турбонаддувом. Надежность тех турбин была невелика, и они быстро исчезли с рынка.

Oldsmobile Jetfire 1962 года – первый серийный автомобиль с турбонаддувом

Мода на турбированные моторы вернулась на рубеже 70-х/80-х, когда турбонаддув начали широко использовать в создании спортивных и гоночных автомобилей. Приставка «турбо» стала чрезвычайно популярной и превратилась в своеобразный лейбл. В голливудских фильмах тех лет супергерои нажимали на панелях своих суперкаров «магические» кнопки «турбо», и машина уносилась вдаль. В реальной же действительности турбокомпрессоры тех лет ощутимо «тормозили», выдавая существенную задержку реакции. И, кстати, не только не способствовали экономии топлива, а наоборот, увеличивали его расход.

Труженик советских полей – трактор К-701 «Кировец» с турбонаддувом

Первые действительно успешные попытки внедрения турбонаддува в производство автомобильных двигателей серийного производства осуществили в начале 80-х годов «SAAB» и «Mercedes». Этим передовым опытом не замедлили воспользоваться и другие мировые машиностроительные компании.

Почему в итоге турбины получили распространение именно на дизельных, а не бензиновых двигателях? Потому что дизельные моторы имеют гораздо большую степень сжатия воздуха, а их выхлопные газы – более низкую температуру. Соответственно, требования к жаропрочности турбины гораздо меньше, а её стоимость и эффективность использования – гораздо больше.

Устройство системы турбонаддува

Система турбонаддува состоит из двух частей: из турбины и турбокомпрессора. Турбина служит для преобразования энергии отработанных газов, а компрессор – непосредственно для подачи многократно сжатого атмосферного воздуха в рабочие полости цилиндров. Главные детали системы – два лопастных колеса, турбинное и компрессорное (так называемые «крыльчатки»). Турбокомпрессор представляет собой технологичный насос для воздуха, приводимый в действие вращением ротора турбины. Единственная его задача – нагнетание сжатого воздуха в цилиндры под давлением.

Составные части устройства турбонаддува:

• корпус компрессора;
• компрессорное колесо;
• вал ротора, или ось;
• корпус турбины;
• турбинное колесо;
• корпус подшипников.

Основа системы турбонаддува – это ротор, закреплённый на специальной оси и заключённый в особый жаропрочный корпус. Беспрерывный контакт всех составных частей турбины с чрезвычайно раскалёнными газами определяет необходимость создания как ротора, так и корпуса турбины из специальных жаропрочных металлосплавов.

Крыльчатка и ось турбины вращаются с очень высокой частотой и в противоположных направлениях. Это обеспечивает плотный прижим одного элемента к другому. Поток отработанных газов проникает вначале в выпускной коллектор, откуда попадает в специальный канал, что расположен в корпусе турбо-нагнетателя. Форма его корпуса напоминает панцирь улитки. После прохождения этой «улитки» отработанные газы с разгоном подаются на ротор. Так и обеспечивается поступательное вращение турбины.

Ось турбонагнетателя закреплена на специальных подшипниках скольжения; смазка осуществляется подачей масла из системы смазки моторного отсека. Уплотнительные кольца и прокладки препятствуют утечкам масла, а также прорывам воздуха и отработанных газов, а также их смешиванию. Конечно, полностью исключить попадание выхлопа в сжатый атмосферный воздух не удаётся, но в этом и нет большой необходимости…

Как работает турбина дизельного двигателя

Мощность любого двигателя и производительность его работы зависит от целого ряда причин. А именно: от рабочего объёма цилиндров, от количества подаваемой воздушно-топливной смеси, от эффективности её сгорания, а также от энергетической части топлива. Мощность двигателя возрастает пропорционально росту количества сжигаемого в нём за определённую единицу времени горючего. Но для ускорения сгорания топлива необходимо увеличение запаса сжатого воздуха в рабочих полостях мотора.

То есть, чем больше за единицу времени сжигается горючего, тем большее количество воздуха потребуется «впихнуть» в мотор (не очень красивое слово «впихнуть» здесь, тем не менее, очень хорошо подходит, поскольку сам мотор не справится с забором избыточного количества сжатого воздуха, и фильтры нулевого сопротивления в этом ему не помогут).

В этом, повторимся, и состоит основное назначение турбонаддува – в наращивании подачи воздушно-топливной смеси в камеры сгорания. Это обеспечивается нагнетанием сжатого воздуха в цилиндры, которое происходит под постоянным давлением. Оно происходит вследствие преобразования энергии отработанных газов, проще говоря, из бросовой и утерянной – в полезную. Для этого, прежде чем выхлопные газы должны быть выведены в выхлопную трубу, а далее и, соответственно, в атмосферу, их поток направляется через систему турбокомпрессора.

Этот процесс обеспечивает раскручивание колеса турбины («крыльчатки»), снабжённого специальными лопастями, до 100-150ти тысяч оборотов в минуту. На одном валу с крыльчаткой закреплены и лопасти компрессора, которые нагнетают сжатый воздух в цилиндры двигателя. Полученная от преобразования энергии выхлопных газов сила используется для значительного увеличения давления воздуха. Благодаря чему и появляется возможность впрыскивания в рабочие полости цилиндров гораздо большего количества топлива за фиксированное время. Это даёт значительное увеличение как мощности, так и КПД дизеля.

Дизельная турбина в разрезе

Проще говоря, турбосистема содержит две лопастных «крыльчатки», закреплённых на одном общем валу. Но находящихся при этом в отдельных камерах, герметично отделённых друг от друга. Одна из крыльчаток вынуждена вращаться от постоянно поступающих на её лопасти выхлопных газов двигателя. Поскольку вторая крыльчатка с нею жёстко связана, то и она также начинает вращаться, захватывая при этом атмосферный воздух и подавая его в сжатом виде в цилиндры двигателя.

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).

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.

Применение турбонаддува в мировом машиностроении

На дворе двадцать первый век, и никто уже не гонится за тем, чтобы название его легкового автомобиля было с модной в веке ХХ-м приставкой «турбо». Никто и не верит более в «магическую силу турбины» для резкого ускорения автомобиля. Смысл применения и эффективность работы системы турбонаддува всё-таки не в этом.

Разумеется, наиболее эффективен турбонаддув при его использовании на двигателях тракторов и тяжёлых грузовиков. Он позволяет добавить мощности и крутящего момента без возникновения перерасхода топлива, что очень важно для экономических показателей эксплуатации техники. Там он и используется. Нашли своё широкое применение турбосистемы также на тепловозных и судовых дизелях. И это наиболее мощные из созданных человеком турбин для дизельного двигателя.

Принцип работы турбины на дизельном двигателе

В свое время силовые двигатели, усиленные турбиной, встречались только на грузовых машинах, да и то не на всех. Несколько позже стали турбировать и легковые автомобили, предназначенные для гонок. В наше время моторы, оснащенные турбинами, отлично ведут себя на обычном легковом транспорте. Линейный ряд этих двигателей развивается так быстро, что простым моторам внутреннего сгорания уже ничего не осталось, чтобы уступить первенство усовершенствованным аналогам.

Содержание:

Принципиальная схема

Чтобы понимать, как работает турбина, следует ознакомиться с порядком функционирования ДВС.

Как правило, большинство моторов четырехтактные поршневые, их работа всегда под контролем клапанов впускной и выпускной групп. Один цикл работы составляет четыре такта, которые проходят за два полных оборота коленчатого вала.
Принцип работы турбины на дизельном двигателе довольно прост и состоит из следующих действий:

• впуск – поршень идет вниз, давая возможность проникать воздуху через впускной клапан;
• компрессия – в этот момент горючая смесь сжимается;
• процесс расширения – горючее входит под давлением и загорается;
• выпуск – поршень идет вверх, выпуская газ.

Турбина с изменяемой геометрией

Работа турбонаддува может сопровождаться некоторыми сложностями:
происходит задержка усиления мощности («турбояма») в момент резкого давления на газ;
выход из такого состояния меняется резким повышением воздействия наддува («турбоподхват»).
Возникновение первого явления возможно из-за инерционности системы. Чтобы решить такую проблему, применяют:

• турбинное устройство с изменяемой геометрией;
• используют пару параллельных либо последовательных компрессорных устройств;
• наддув комбинированного вида.

Турбина с изменяемой геометрией:
1 — направляющие лопатки; 2 — кольцо; 3 — рычаг; 4 — тяга вакуумного привода; 5 — турбинное колесо.

Устройство с интеркулером

При сжатии воздух изменяет не только плотность, но и температурный режим. Для сгорания топлива поступающий кислород довольно полезен, но выпускаемый горячий воздух оказывает разрушительное действие на всю систему. По этой причине используют интеркулер, своего рода радиатор, с помощью которого понижается температура. За счёт этого мощность двигателя увеличивается на 15-20 лошадиных сил.
Смысл работы устройства заключается в том, что горячие воздушные массы подвергаются охлаждению. Может быть воздушным и жидкостным.

Как определяется неисправность

Причины отказа работы турбины бывают разные, но к основным признакам этого можно отнести:
значительно понижается динамика, автомобиль «не тянет»;

1. двигатель долго не выходит на нужную мощность;
2. из трубы для выхлопных газов появился дымок голубого либо сизого оттенка;
3. ощущается запах сгоревшего масла;
4. мотор при работе «кушает» масло;
5. под капотной крышкой появляются странные звуки;
6. на холостом ходу движок работает нестабильно.

Порядок проверки

Если нет возможности проверить турбинное устройство в автосервисе, то это можно сделать самостоятельно, не покидая гаража.
Для начала проводится визуальный осмотр устройства. Изучается цвет дыма. Беловатые выхлопы говорят о том, что воздуховоды забиты, либо сливной масляный провод засорен. Если дым напоминает копоть, то подтверждает утечку масла. Сизость дымка говорит о том, что течет масло. После попадания в камеру, оно придает дыму сизоватость. Чтобы убедиться в своей правоте, необходимо снять фильтр очистки воздуха. Если он чист – причину искать следует в другом.

Теперь двигатель следует прогреть и приступить к очередному проверочному этапу, и пригласить на помощь напарника. Ищем патрубок, идущий от турбины к впускному коллектору. Пережав патрубок, даем команду давить на газ несколько секунд. По второй команде педаль резко отпускается. Рука, лежащая на патрубке, будет ощущать, как он расширяется. Это свидетельствует о том, что воздушное давление велико. Если такого не происходит – турбина вышла из строя.
Проще всего, если есть датчик давления турбины. По его работе быстро определяется пригодность турбинного устройства.
Необходимо помнить, что турбина считается довольно чувствительной частью мотора, и способна утратить работоспособность по малейшим причинам. Но продлить ее срок эксплуатации возможно, организовав за двигателем минимальный уход.