Устройство турбокомпрессора, плюсы и минусы установки
Сегодня автомобилисты стараются по максимуму усовершенствовать свое транспортное средство. В ход идут все способы увеличить мощность, развить скорость, создать уникальный дизайн. Установкой турбокомпрессора для двигателя никого нельзя удивить. Турбина встречается достаточно часто, поскольку для некоторых моделей двигателей является необходимостью.
Что такое турбокомпрессор, его составляющие
В погоне за лошадиными силами производители пришли к двум вариантам: либо увеличить объем потребляемой горючей смеси, либо давление поступающего воздуха. Подключение газотурбинного нагнетателя – один из двух основных способов увеличить мощность двигателя внутреннего сгорания.
Говоря простым языком, центробежный нагнетатель – сложная конструкция, которая преобразовывает потенциальную энергию выхлопа для усиления давления воздуха в мотор.
Чаще всего, в механизм турбонаддува входят:
- Улитки турбины и компрессора;
- Крыльчатки турбины и компрессора;
- Подшипники.
Кольцо компрессора нагнетает воздушный поток в систему впуска, а улитка турбины проводит выхлоп и приводит в движение колесо турбины. Газы выходят через выхлопной тракт из крыльчаток турбины и компрессора. Вся конструкция помещается в корпус, который вмещает шарикоподшипниковый картридж и охлаждающий контур. Охлаждение – одна из основных частей турбонаддува, поскольку в процессе работы каждая составляющая подвергается сильным термодинамическим нагрузкам.
Температура выхлопа достигает 800-1100°С.
Из-за высоких температурных нагрузок тело турбины отливают из специфического чугуна, а в связи с высокой скоростью вращения вала компрессора смазочные материалы имеют уникальные характеристики.
Принцип работы турбокомпрессора
Основа работы турбокомпрессора – преобразование энергии выхлопных газов. Отработанный поток попадает на лопасти крыльчатки, установленной на валу. Одновременно запускаются лопасти компрессора, которые нагнетают воздух к цилиндрам мотора.
При использовании турбонагнетателя к цилиндрам попадает большее количество воздуха для генерации топливо-воздушной смеси. В итоге во время сгорания объем горючей смеси увеличивается, за счет смешивания с воздухом и сила, которая давит на поршень, становится больше.
Увеличение мощности двигателя, без увеличения оборотов дает меньший удельный расход топлива и высокая литровая мощность. В итоге после изменения объемов воздуха в цилиндрах повышается риск детонации. Из-за этого в конструкции турбодвигателей заранее предусмотрен меньший уровень сжатия и рекомендуется использование исключительно высокооктанового топлива.
Отдельным элементом системы турбонаддува является промежуточный охладитель – интеркулер. По сути, это просто радиатор. Однако благодаря ему удается сохранить плотность воздуха, чтобы не снижать КПД турбины.
Прямая необходимость в турбокомпрессоре есть у грузовиков и тяжелых автомобилей. Он способен повысить мощность и крутящий момент, не увеличивая при этом расход.
Преимущества и недостатки установки турбонаддува
Прежде чем бездумно устанавливать под капот турбину, уповая на повышение мощности лучше детально проанализировать преимущества и недостатки нагнетателя.
Благодаря турбокомпрессору можно получить:
- Увеличение мощности до 80%.
- При повышении производительности, не увеличивается объем камеры сгорания.
- Улучшение качества сгорания топлива.
- Увеличение концентрации воздуха при лучшем сгорании уменьшает выброс химических реагентов в атмосферу.
С другой стороны, установка турбины имеет ряд недостатков:
- Стоимость. Помимо дорогостоящей установки, быстрый износ конструкции «выльется» в «круглую» сумму.
- На низких оборотах двигатель может не выдавать необходимую мощность. В первую очередь – это связано с низким исходящим потоком газов. Их силы не хватает, чтобы разогнать лопасти крыльчатки до нужной скорости – эффект «турбоямы».
- Усиленные требования к моторному маслу, поскольку детали двигателя и турбины смазываются одним типом масла.
- Быстрый износ деталей цилиндропоршневой группы, за счет возрастания концентрации картерных газов.
Материалы и технология установки турбокомпрессора
Прежде чем начать работу, необходимо уточнить, что категорически запрещено использовать герметик для фиксации материалов. Под влиянием температуры выхлопа, структура герметика будет плавиться и, рано или поздно, частицы попадут в компрессор и приведут к нарушению работы двигателя.
Во время монтажа очень важно следить, чтобы на детали механизма не попали инородные жидкости и вещества.
Для начала под капотом проверяют исправность всех соединяющих шлангов и трубопроводов. Обязательно подлежат замене все масляные, топливные и воздушные фильтры. После чего досконально очищается маслопровод от инородных предметов. Удаляются все неисправные, поврежденные маслопроводы и патрубки.
Перед началом следующего этапа необходимо зачистить сапун мотора и промыть все подающие магистрали. Обязательно после этого слить все масло.
Монтаж центробежного нагнетателя происходит относительно конструкции маслопровода, без перегибов и вертикалей. Моторным маслом обрабатывают все места стыков и соединения турбины.
Увеличение мощности двигателя: опасность, охлаждение
Основное условие правильной работы нагнетателя – грамотное охлаждение. Чаще всего можно встретить масляное и комплексное охлаждение (антифриз + масло).
Первый способ появился вместе с понятием турбонаддува. Однако физико-химические свойства материала очень быстро поглощали температуру, провоцируя кипение. В результате происходит коксование, и проводящие каналы быстро забиваются.
Несмотря на то, что такая турбина проста по конструкции и сравнительно дешевая, требовательность к качеству маслу существенно возрастает. При несвоевременной замене или низком качестве смазывающего вещества сразу же проявятся все неисправности масляной системы.
При комплексном охлаждении устанавливается отдельный масляный контур и система с антифризом. Это значительно улучшает качество работы турбины, но усложняет ее конструкцию.
Масло, как и в первом случае, служит для охлаждения и смазки элементов нагнетателя, а антифриз предотвращает перегрев масла и подается из общей цепи охлаждения мотора.
Дополнительным элементом системы охлаждения является интеркулер. После некоторого времени непрерывной работы, турбина начинает нагонять горячий воздух. Как известно, чем выше температура воздуха, тем меньше в нем содержания кислорода. Чтобы не снижать из-за этого производительность турбонаддува, в конструкцию начали интегрировать вспомогательный охладитель – интеркулер.
Прежде чем заниматься выбором и установкой турбонагнетателя лучше ознакомиться с принципом ее работы наглядно:
Тюнинг автомобиля при помощи центробежного нагнетателя – распространенный способ увеличить мощность двигателя. На сегодняшний день автомобильные производители преодолели массу проблем на пути к безопасному повышению КПД мотора – турбина работает постоянно и наиболее эффективно при определенном значении оборотов. Специалисты всячески дополняют конструкцию турбины для достижения максимально продуктивного результата.
Вконтакте
Google+
Одноклассники
Мой мир
Турбокомпрессор — Энциклопедия журнала «За рулем»
Турбокомпрессор работает под воздействием потока горячих отработавших газов, вращающих его ротор с частотой 150–230 тысяч об/мин. В этих условиях даже небольшое нарушение работы приводит к его повреждению.
Общие сведения
Мощность, развиваемая поршневым двигателем внутреннего сгорания, зависит от наполнения цилиндров горючей смесью. С увеличением частоты вращения коленчатого вала мощность достигает максимальной величины
Наддув — нагнетание воздуха в цилиндры двигателя для увеличения их наполнения горючей смесью. Избыточное давление выше атмосферного получают с помощью различных нагнетателей (компрессоров), что позволяет повысить мощность мотора
Турбокомпрессоры приводятся в действие неиспользуемой энергией отработавших газов. Они получили в настоящее время наибольшее распространение, так как не требуют дополнительного расхода топлива в отличие от компрессоров с механическим приводом. Турбокомпрессоры, как правило, снабжаются охладителем.
Охладитель наддувочного воздуха
Устройство турбокомпрессора включает в себя три основные части — корпус турбины, корпус подшипников с ротором в сборе и корпус компрессора.
Турбокомпрессор
1 — Корпус подшипников;
2 — Турбинное колесо;
3 — Перепускной клапан;
4 — Корпус турбины;
5 — Масляные каналы;
6 — Вал ротора;
7 — подшипник скольжения;
8 — компрессорное колесо;
9 — корпус компрессора;
10 — пневмопривод перепускного клапана
- Корпуса турбины и компрессора в обиходе называют “улитки”. Турбинный корпус связан с выпускным, а компрессорный — с впускным трубопроводами.
- В корпусе подшипников установлен ротор в сборе, представляющий собой вал, на котором жестко закреплены турбинное и компрессорное колеса с лопастями. Ротор вращается на подшипниках скольжения. Они смазываются и охлаждаются моторным маслом, поступающим из системы смазки двигателя. Для снижения температуры корпуса в нем могут быть предусмотрены каналы подачи охлаждающей жидкости.
Ограничение давления наддува осуществляют с целью защитить двигатель от перегрузки.
Перепускной клапан, управляемый пневматическим приводом, при определенной величине давления наддува направляет часть отработавших газов в обход турбины.
Поворотные лопатки, установленные в корпусе турбины некоторых компрессоров, позволяют изменять ее проходное сечение и соответственно давление наддува.
Турбокомпрессор с изменяемым проходным сечением корпуса турбины:
1 — турбинное колесо
2 — поворотные лопатки
Работа турбокомпрессора происходит под воздействием потока отработавших газов, вращающих турбинное колесо и вал ротора. Установленное на том же валу компрессорное колесо нагнетает воздух во впускной трубопровод. На некоторых режимах работы мотора проявляют себя особенности турбонаддува.
Турбояма
«Турбояма” (турболаг)” — задержка увеличения оборотов и мощности двигателя при резком нажатии на педаль акселератора (“газа”). Эффект связан с инерционностью системы — требуется время, чтобы ускорившийся поток выхлопных газов раскрутил турбину. Основной способ устранения — снижение размеров и массы вращающихся деталей для облегчения их быстрого раскручивания. Однако это ведет к снижению производительности турбокомпрессора и для сохранения необходимого давления наддува приходится увеличивать частоту вращения ротора или применять корпус турбины с изменяемым проходным сечением.
Турбоподхват
“Турбоподхват” возникает при увеличении оборотов и скорости движения выхлопных газов после преодоления “турбоямы”. Вследствие этого резко увеличивается давление наддува, создаваемого турбокомпрессором и, соответственно, мощность двигателя. Чтобы исключить перегрузку деталей кривошипно-шатунного механизма и детонацию4 (в бензиновых двигателях), необходимо такое же резкое ограничение давления наддува.
Наиболее эффективный способ устранения этих недостатков — оснащение современных турбокомпрессоров электронной системой управления.
Рекомендации
Эксплуатируя автомобиль с турбокомпрессором, желательно ориентироваться на следующие правила.
- Нельзя глушить двигатель на повышенных оборотах, сначала следует перейти на холостой ход на 3–5 минут, и только после этого остановить мотор.
- Перед тем как тронуться с места, обязательно дать двигателю поработать на холостом ходу минимум 30 секунд.
- Необходимо своевременно менять моторное масло, масляный и воздушный фильтры, используя только рекомендованные автозаводом для данного двигателя с турбонаддувом. У автомобилей с пробегом свыше 150 тыс. км такая замена рекомендуется через 5–7 тыс.км.
- Следует периодически проводить диагностику двигателя. При этом специалисты особое внимание обращают на регулировку топливной аппаратуры, системы зажигания в бензиновых моторах и исправность вентиляции картера.
1 Двигатель развивает максимальную мощность при определенной частоте вращения, именуемой “обороты максимальной мощности”.
2 В отличие от “наддувных”, двигатели без наддува иногда называют “атмосферные”.
3 Некоторые из окислов азота являются токсичными и даже канцерогенными.
Устройство современного турбокомпрессора
1 — корпус подшипников — металлический корпус системы подшипников обеспечивает местоположения для плавающей системы подшипника вала турбины и компрессора, который может вращаться со скоростью до 170,000 оборотов/минут. Cложная геометрическая конструкция для охлаждения. Основные требования: качество обработки, жесткость, термостойкость;
включает в себя основные части: корпус компрессора 1, компрессорное колесо 2, вал ротора 3, корпус турбины 4, турбинное колесо 5 и корпус подшипников с ротором в сборе. — «Турбояма» («турболаг») — задержка увеличения оборотов и мощности двигателя при резком нажатии на педаль акселератора («газа»). Эффект связан с инерционностью системы — требуется время, чтобы ускорившийся поток выхлопных газов раскрутил турбину. Основной способ устранения — снижение размеров и массы вращающихся деталей для облегчения их быстрого раскручивания. Однако это ведет к снижению производительности турбокомпрессора и для сохранения необходимого давления наддува приходится увеличивать частоту вращения ротора или применять корпус турбины с изменяемым проходным сечением.
|
Устройство турбокомпрессора
Устройство турбокомпрессора
- Подробности
1. Улитка турбины
2. Крыльчатка турбины
3. Улитка компрессора
4. Крыльчатка компрессора
5. Система подшипников
Улитка компрессора
Улитка турбины (основной компонент турбины дизельного и бензинового двигателя) изготавливается из различных сортов сфероидизированного чугуна, чтобы противостоять тепловому воздействию и разрушению крыльчатки. Как и крыльчатка, профиль улитки обработан до полного соответствия форме лопастей крыльчатки. Впускной фланец улитки турбины работает как установочная база для закрепления турбины, несущая нагрузку.
Основные требования:
— устойчивость к ударам;
— устойчивость к высоким температурам;
— легкость механической обработки;
— устойчивость к окислению.
Крыльчатка турбины
Эта деталь устанавливается в корпусе турбокомпрессора и соединяется со штифтом, который отвечает за вращение крыльчатки турбины.
Основные параметры крыльчатки:
- — имеет качественное покрытие из сплава никеля;
- — деталь сделана из стойкого и прочного сплава;
- — высокий температурный режим (выдерживает до 760 градусов Цельсия)
Требования:
- — высокая стойкость к изнашиванию;
- — стойкость к коррозии и деформациям.
Улитка турбокомпрессора
Улитку турбины отливают из сплавов алюминия, причем под различные типы турбокомпрессоров используются специально изготовленные сплавы, которые отвечают температурному режиму работы компрессора, нагрузкам и прочим специфическим характеристикам.
Параметры улитки:
- — изготавливается из специального сплава;
- — имеет точные формы и размеры;
- — рабочая температура коло 200 °C
Основные требования:
- — высокая устойчивость к механическим нагрузкам;
- — точные размеры, высокое качество обработки.
Крыльчатка компрессора
Изготавливается из сплава алюминия, методом литья с использованием резиновой формы. В матрицу заливается расплавленный метал, а после того как он остывает, крыльчатку извлекают из формы, после чего деталь полируют и растачивают, благодаря чему повышается коэффициент сопротивление усталости метала.
Основные параметры:
— изготовлена из сплава алюминия.
Требования:
- — хорошее сопротивление усталости метала;
- — хорошая устойчивость к коррозии;
- — для некоторых моделей мощных турбокомпрессоров лопасти крыльчаток изготавливаются из титана для увеличения срока эксплуатации.
Система смазки подшипников
Основной функцией корпуса системы подшипника является обеспечение местоположения для плавающей системы подшипника вала, вращение которого может достигать 170 тысяч об./мин.
Основные параметры:
- — изготовлен из металла;
- — во время обработки выполняется обязательная расточка, шлифовка и полировка детали;
- — специальная конструкция, повышающая эффективность охлаждения.
Требования:
- — высокое качество обработки;
- — стойкость к высоким температурам;
- — жесткость конструкции;
Система подшипников
Один из самых важных составляющих устройства турбокомпрессора дизельного и бензинового двигателя. Эта составляющая турбины должна справляться с высокими температурными режимами, безотказно работать при переключении режимов и наличии грязи в смазке. Подшипники этой детали изготовлены из специальных медных или бронзовых сплавов, для того, чтобы обеспечить подшипники этой детали необходимыми характеристиками износостойкости и прочности.