Когда люди говорят о гоночных машинах или мощных спортивных авто, рано или поздо всплывает тема турбин(турбо компрессоры также устанавливают на больших дизельных моторах). Турбина может существенно увеличить мощность двигателя без значительного увеличения его размеров/веса, что является основным преимуществом которое сделало турбины столь популярными.
В данной главе вы узнаете о том как турбокомпрессор увеличивает отдачу двигателя работая в экстримальных условиях. Также вы узнаете как вестгейты, керамические крыльчатки турбин и шарикоподшипники помогают турбокомпрессорам выполнять свою работу еще лучше. Турбокомпрессоры — тип усиленной впускной системы. Они сжимают воздух во впускном тракте. Преимущество сжатия воздуха в том что двигатель получает возможность «запихнуть» в камеру сгорания больший объем воздуха, а большему кол-ву воздуха нужен больший объем топлива. Таким образом мы получаем больше мощности от каждого взрыва в каждом циллиндре. Турбированный двигатель производит больше мощности по сравнению с таким же НЕ турбированным двигателем. Турбина может значительно улучшить соотношение мощность/вес для вашего двигателя.
Для раскрутки/буста турбина использует поток выхлопных газов которые вращают крыльчатку турбины, которая в свою очередь соединена(находится на том же валу) с крыльчаткой аэро компрессора. Скорость вращения турбины может достигать150тыс. об./мин что почти в 30 раз быстрее скорости вращения самого двигателя. Естественно что при таких условиях работы, температура турбины тоже очень высока.
Одним из верных способов увеличения мощности двигателя является увеличение объема газо-бензиновой смеси которое он может сжечь. Этого можно достичь увеличив кол-во циллиндров, или сделать имеющиеся циллиндры больше. Иногда подобные изменения могут не дать должного эффекта, в отличие от турбины, которая является более простым, компактным решением для увеличения мощности, особенно если речь идет о производителях тюнинговых решений.
Турбины позволяют двигателю сжигать большее кол-во газо-топливной смеси путем большего нагнетания ее в имеющуюся камеру сгорания. По сравнению с обычным двигателем, турбина может нагнетать до 50% больше газотопливной смеси в камеру сгорания. Установкой турбины можно достичь 40-го % прироста мощности двигателя. Справедливо ожидать 50-ти процентного прироста мощности, но все не так замечательно, и вот почему. Установка турбины накладывает определенные ограничения на выпускную систему, тк выхлопные газы проходят через крыльчатку турбины, тем самым увеличивается сопростивление потоку выхлопных газов, что в свою очередь отнимает часть КПД от взрывов в циллиндрах которые происходят одновременно.
Турбокомпрессор и двигатель.
Турбокомпрессор устанавливается на выпускном коллекторе. Выхлопные газы раскручивают крыльчатку турбины которая работает по принципу газотурбинных двигателей. Вал турбины соединен с валом воздушного компрессора который схематически находится между воздушным фильтром и впускным коллектором. Компрессор нагнетает воздух в камеру сгорания двигателя.
Поток выхлопных газов проходящих сквозь крыльчатку турбины, разгоняет ее. Чем больше давление выхлопных газов оказываемое на крыльчатку турбины, тем быстрее она раскручивается.
На другом конце вала турбины установлен воздушный компрессор который нагнетает воздух в камеру сгорания. Компрессор работает по принципу центрифуги — он раскручивает воздух от центра к краям крыльчатки по ходу вращения.
Тк вал турбины раскручивается до огромных скоростей(150тыс об./мин.), необходимо обеспечить его надежную поддержку/закрепление. Большая часть подшипников взорвалась бы на таких скоростях, по этому в большей части турбокомпрессоров используется жидкий подшипник(маслянный клин). Данный тип подшипника поддерживает вал на тонком слое масла которое подается под давлением вокруг него(между валом и стенкой подшипника). Это делается по 2-м причинам:
1.Масло охлаждает вал и прилегающие части турбокомпрессора
2.Этот метод позволяет избежать большой силы трения между валом и стенками подшипника турбокомпрессора
Одной из главных проблем связанных с использованием турбокомпрессоров является то что они не могут моментально обеспечить рабочее давление наддува(буст) когда вы нажимаете на педаль акселератора. Проходит определенное время до того как турбина разгонится и начнет обеспечивать рабочее давление наддува. Это явление называется лаг(задержка), то есть мы ощущаем лаг когда давим на педаль акселератора, затем спустя определенное время(лаг) машина выстреливает вперед.
Для уменьшения турбо лага необходимо уменьшить силу инерции вращающихся частей, главным образом путем уменьшения их веса. Это позволит турбине и компрессору разгоняться быстрее, и раньше опеспечивать рабочее давление наддува. Одним из верных способов уменьшения силы инерции турбины и компрессора является уменьшение размера самого турбокомпрессора. Не большой турбокомпрессор обеспечит рабочее давление наддува на низких оборотах двигателя значительно быстрее, но не сможет обеспечить нормальное давление наддува на высоких оборотах, когда двигателю необходим значительно больший объем воздуха.Также для небольших турбокомпрессоров существует опасность слишком быстрого вращения на высоких оборотах двигателя, когда большой объем выхлопных газов проходит сквозь турбину.
Большие турбокомпрессоры могут обеспечить достаточное давление наддува на высоких оборотах двигателя, но им присущь больший турбо лаг тк их турбина и компрессор имеют больший вес и как следствие разгоняются дольше. К счастью есть несколько способов побороть эту проблему.
У большинства автомобильных турбокомпрессоров есть вестгейт, который позволяет использовать небольшие турбокомпрессоры для уменьшения лага, а также предотвращает их слишком быстрое вращение на высоких оборотах двигателя. Вестгейт — это клапан который позволяет проходить потоку выхлопных газов в обход крыльчатки турбины. Вестгейт распознает давление наддува.Если давление слишком высоко это может означать что турбина вращается слишком быстро, в этом случае вестгейт отводит(открывает клапан) часть потока выхлопных газов от крыльчатки турбины, что позволяет снизить скорость вращения турбины.
В строении некоторых турбокомпрессоров вместо жидких подшипников(маслянного клина) используются шарикоподшипники. Но это не обычные подшипники — это супер точные подшипники созданные с использованием передовых технологий/материалов призванных допустить их использование на таких скоростях и температурах присущих турбокомпрессорам. Такие подшипники позволяют валу турбины вращаться с меньшим трением, чем в обычных жидких подшипниках. Также шарикоподшипники позволяют использовать меньший и более легкий основной вал, что тоже положительно сказывается скорости раскручивания вала, и уменьшении турбо лага.
Керамическая крыльчатка легче стальной, используемой в большинстве турбокомпрессоров. Это тоже позволяет турбине раскручиваться быстрее, что в свою очередь помогает уменьшить турбо лаг.
В строении некоторых турбосистем используются два турбокомпрессора. Меньший турбокомпрессор раскручивается до рабочего давления наддува значительно быстрее, уменьшает лаг, пока больший турбокомпрессор раскручивается и срабатывает на высоких оборотах обеспечивая большее давление наддува.
Когда воздух сжимается — он подогревается и расширяется. Собственно часть от общего увеличения давления турбокомпрессором — результат нагрева воздуха до его попадания в камеру сгорания. Для того чтобы увеличить мощность двигателя необходимо «впихнуть» в камеру сгорания как можно больше молекул воздуха, а не просто воздух под большим давлением.
Интеркулер способствует увеличению мощности двигателя путем охлаждения сжатого воздуха который поступает из компрессора, перед его попаданием в камеру сгорания. Это означает что турбокомпрессор способен обеспечить определенное давление наддува, а та же система с интеркулером способна обеспечить то же давление наддува, но уже охлажденного сжатого воздуха(в котором больше молекул чем в НЕ охлажденном воздухе).
Основные термины:
Порог наддува(Boost threshold) — минимальные обороты двигателя при которых создается положительное давление наддува во впускном коллекторе, при максимальной нагрузке на двигатель.
Турболаг — время между «тапкавпол» и моментом когда турбокомпрессор опеспечивает рабочее давление наддува.
Какая турбина САМАЯ лучшая? Нет лучшей турбины. Как правило все тюнинговые турбины делятся на эти несколько классов:
1.Турбины позволяющие немного увеличить мощность двигателя
2.Турбины позволяющие значительно увеличить мощность двигателя
3.Быстро раскручивающиеся турбины
Что необходимо заменить для установки тюнинговой турбины? Как правило для установки тюнинговой турбины необходимо заменить топливный насос, форсунки, и программу управления двигателем.(отсебятина: и, как мне кажется — выхлопную систему)
Существует ли какой-нить метод доработки турбины, который не потребует других доработок? Существует. К стоковой турбине можно применить процедуру port&polish(шлифовка и полировка внутренней поверхности улиток турбокомпрессора). Также на короткое время можно установить буст контроллер, но по большому счет установка бустконтроллера глупая затея.
Какая турбина лучше всего подходит для небольшого увеличения мощности двигателя? Наиболее широко применяемые турбины для этих целей: VF30/VF34 и 16G
Какая турбина лучшая в классе «быстрораскручивающихся» турбин? Наиболее широко применяемые турбины для этих целей: стоковые турбины с отшлифованными и полированными внутренними поверхностями улиток.
Для того чтобы сделать правильный выбор, сначала необходимо определить какой именно ТИП турбин больше всего подходит для ваших нужд. По этому мы обсудим самые распространенные типы турбин. Собственно здесь представленна базовая информация, не стоит использовать ее как ОСНОВНОЙ источник информации для выбора турбины, тк существует еще куча факторов влияющих на подобный выбор. Для более верного выбора проконсультируйтесь с продавцом турбин, или мастерами тюнинга(в таких конторах как Плеяда, или Альпина).
Обычная турбина.
Обычная турбина в сущности насос который «запихивает» воздух под давлением во впускную систему двигателя, в результате наддув сжатого воздуха поздоляет увеличить мощность двигателя, к чему, как правило мы и стремимся. Но не стоит забывать что больше мощности даст больше тепла, и внутренние компоненты двигателя должны соответствовать уровню тюнинга. Замена стоковой турбины на большую — самый простой, быстрый, дешевый и правильный метод. Обычно для подобных замен на турбовых версиях субар используют следующие турбины: VF-30/34/22 и 16/18/20G. Подобный тюнинг еще называют Bolt-on.
Твинскролловая турбина
Твинскролловая турбина может быть установлена только с равнодлинным выпускным коллектором. Это обусловлено внутренним устройством данной турбины, а также требованием чтобы давление потока выхлопных газов на крыльчатку турбины было всегда одинаковым, что позволит твинскролловой турбине раскручиваться быстрее по сравнению с обычной турбиной такого же размера. Данное требование(установка равнодлинного выпускного коллектора) является обязательным к исполнению, не позволяйте сбить вас столку недобросовестной рекламой твинскролловых турбин. Если сравнить твинскролловую турбину в характеристике которой указано 500 CFM(Кубических футов в минуту — это характеристика воздушного потока прогоняемого в единиху времени конкретным воздушным компрессором), и обычную турбину в характеристике которой указаны те же 500CFM, твинскролловая турбина раньше обеспечит рабочее давление наддува. Ну и собственно если вы выбрали 2-е подходящие по размерам турбины, одна из которых твинскролловая, другая обычная — твинскролл будет лучшим выбором если вы готовы смириться со значительными затратами на выхлопную систему, и предпочитаете турбину которая раскручивается быстрее обычной.
В отличие от установки обычной более производительной/большей турбины — твинскролл требует больше затрат. В основном из-за необходимости использования равнодлинного выпускного коллектора, ап-пайпа другой конструкции, и возможно другого картера(тк в равнодлинном коллекторе трубы идущие от правой половины двигателя — длиннее, и если оставить стандартный картер — коллектор просто не встанет) и маслоуловителя. Куирт Крафорд из «Crawford Performance» недавно провел эксперимент, на Легасе с твинскролловой турбиной GT32. Он заменил равнодлинный коллектор на обычный, а также доработанный ап-пайп на стоковый, и замерил результаты. По ошушениям и на основе полученных результатов он обнаружил ухудшение отклика турбины на 750 об/мин, то есть увеличился лаг. Это должно послужить уроком для всех кто считает что установка твинскролловой турбины возможна и без лишних затрат на выпускную систему.
Еще одной важной особенностью установки твинскролловых турбин(и, соответственно равнодлинного коллектора) является изменение звука выхлопа. Равнодлинный коллектор сильно меняет звук выхлопа убирая столь популярное урчание опозитного двигателя. Для яростных поклонников родного звука субаровского мотора — только это может сыграть не в пользу установки твинскролла.
Воплощение идеи по использованию выхлопных газов с целью разгона ротора позволила увеличить мощность дизельного мотора примерно на 30%. Мотор, на который установлен турбонаддув, называется турбодизелем.
Устройство турбины дизельного двигателя
Турбокомпрессор выполняет задачу по нагнетанию воздуха под давлением в цилиндры мотора: чем больше будет воздуха, тем больше топлива силовой агрегат сможет сжечь, что, в свою очередь, приведет к увеличению мощности двигателя без увеличения объема имеющихся цилиндров.
Чтобы выполнять возложенные функции с необходимой эффективностью, турбонаддув имеет особую конструкция, состоящую из двух элементов:
- турбины;
- компрессора.
Главная функция компрессора заключается в усилении поступления воздуха в топливную систему. Составные части компрессора находятся в алюминиевом корпусе. Внутри него располагается ротор, закрепленный на оси турбины. Вращаясь, ротор вбирает воздух: большая скорость вращения приводит к большему количеству попавшего внутрь воздуха. Для набора скорости существует турбина.
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.
Как работает турбина на дизельном двигателе
Ротор и ось, на которой он закреплен, вращаются в разных направлениях. Частота вращения довольно велика, поэтому элементы плотно прижимаются друг к другу.
Принцип работы турбины на дизельном двигателе следующий:
- 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.
Таким образом, принцип работы основывается на взаимосвязи: чем сильнее вращается ротор, тем больше поступает воздуха, но при этом ротор увеличивает скорость вращения, если количество воздуха возрастает.
Как работает турбонаддув
Чтобы разобраться в работе турбонаддува, для начала следует уяснить понятия турбоподхвата и турбоямы.
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.
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).
Работа турбины дизельного двигателя также требует контроля давления:
- 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.
Минусы использования турбокомпрессора
Казалось бы, установка турбодизеля влечет за собой сплошные преимущества, но это не так. У устройства есть определенные недостатки:
- возрастает расход топлива, что особенно ощущается при неправильной регулировке системы;
- температура в процессе сжатия повышается, что может привести к детонации. Чтобы избежать такой неприятности, необходим монтаж регуляторов, охладителей и ряда других элементов.
Турбированный мотор: 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.
Как работает турбина: видео
Турбокомпрессор является решением, которое устанавливается как на бензиновый, так и практический на каждый современный дизельный двигатель автомобиля. Моторы с турбонаддувом в обиходе называются турбодизелями. Указанный компрессор представляет собой своеобразный насос для воздуха, который приводится в действие турбиной. Турбину дизельного двигателя вращает энергия выхлопных газов.
Главной задачей устройства является нагнетание воздуха в цилиндры дизельного ДВС под давлением. Чем больше воздуха поступит в камеру сгорания, тем большее количество солярки дизель сможет сжечь. Результатом становится значительное увеличение мощности двигателя без необходимости физически увеличивать объем цилиндров.
Читайте в этой статье
Принцип работы и конструкция дизельного турбонагнетателя
Турбокомпрессор дизельного двигателя состоит из двух колес: турбинного и компрессорного. Данные колеса еще могут называться крыльчаткой. Крыльчатка турбины напрямую и жестко соединена с компрессорным колесом посредством оси. Устройство нагнетателя можно разделить на главные составные части:
- корпус компрессора (1);
- компрессорное колесо (2);
- вал ротора или ось (3);
- корпус турбины (4),
- турбинное колесо(5);
- корпус подшипников;
Устройство турбины
Турбина имеет в основе ротор (крыльчатку), который закреплен на оси и заключен в специальный корпус. Постоянный контакт всех элементов турбины с раскаленными газами обуславливает необходимость изготовления ротора и корпуса турбины из особых жаропрочных материалов.
Крыльчатка и ось вращаются в противоположных направлениях с высокой частотой, в результате чего осуществляется плотный прижим одного элемента к другому. Поток отработавших газов проникает в выпускной коллектор, после чего оказывается в специальном канале. Данный канал находится в корпусе турбонагнетателя. Корпус имеет своеобразную форму-улитку. После прохождения улитки, отработавшие газы разгоняются и подаются на ротор. Так осуществляется вращение турбины.
Устройство компрессора
Компрессор имеет корпус и колесо (ротор). Корпус компрессора алюминиевый. Ротор крепится на оси турбины аналогично крыльчатке. Колесо компрессора имеет лопасти, материалом изготовления которых также является алюминий. Задачей компрессорного колеса становится забор воздуха, который проходит через его центр.
Ось турбокомпрессора
Ось является центральной частью турбонагнетателя и закреплена внутри корпуса на подшипниках скольжения. Смазка оси реализована при помощи подачи моторного масла из системы смазки двигателя. С обеих сторон устанавливаются специальные уплотнительные кольца и прокладки.
Данные элементы препятствуют обильным утечкам масла, чтобы смазка не попадала в область нахождения компрессора и турбины. Сами масляные уплотнения не обеспечивают полной герметичности. Данные решения являются уплотнителями, которые функционируют благодаря разнице давлений, которые возникают в процессе работы турбокомпрессора.
Также уплотнения минимизируют прорыв воздуха из компрессора и газов из турбины в корпус оси. Стоит отметить, что полностью исключить попадание выхлопа и сжатого компрессором воздуха не удается. Излишки удаляются по сливному маслопроводу вместе с маслом и оказываются в картере дизельного двигателя.
Турбояма и турбоподхват
Крыльчатка турбины и компрессорное колесо закреплены на одной общей оси. По этой причине наблюдается определенная зависимость, которая заключается в увеличении подачи воздуха компрессором только с ростом оборотов турбины. Специалисты выделяют понятие турбоямы (турболаг), что означает задержку прироста мощности дизеля при резком нажатии на акселератор.
Крыльчатка турбины раскручивается выхлопными газами для создания эффективного давление наддува турбокомпрессором. При определенных условиях турбина может вращаться с очень большой частотой, что зависит от конструктивных особенностей корпуса устройства и интенсивности потока отработавших газов.
Самостоятельная проверка турбокомпрессора дизельного двигателя. Проверка нагнетателя без снятия. Наличие масла в корпусе турбины, люфт вала, крыльчатка.
Когда и почему возникает необходимость настроить актуатор турбокомпрессора. Принцип работы устройства, особенности и доступные способы настройки вестгейта.
От чего зависит срок службы турбонагнетателя дизельного ДВС. Особенности и рекомендации касательно эксплуатации и ремонта турбин с изменяемой геометрией.
Устройство турбокомпрессора, главные элементы конструкции, выбор турбины. Преимущества и недостатки бензиновых и дизельных двигателей с турбонаддувом.
Что представляет собой двигатель с наддувом и чем отличается от атмосферного. Основные преимущества и недостатки турбированных ДВС. Какой мотор выбрать.
Выбор механического нагнетателя или турбокомпрессора. Конструкция, основные преимущества и недостатки решений, установка на атмосферный тюнинговый мотор.
