0 просмотров
Рейтинг статьи
1 звезда2 звезды3 звезды4 звезды5 звезд
Загрузка...

Характеристики турбин на дизельных двигателях

Турбокомпрессоры для бензиновых двигателей

Турбонаддув позволяет не только получить требуемую максимальную мощность, но и существенно улучшить экономичность и экологичность двигателя за счет повышения эффективности сгорания топлива. Захватив за пару десятков лет плацдарм дизельных двигателей, система турбонаддува вторглась на территорию бензиновых моторов.

Рис. 1. Тенденции применения турбонаддува на двигателях легковых и коммерческих автомобилей в период до 2020 года

В настоящее время турбокомпрессоры для автомобильных двигателей выпускаются многими американскими, европейскими и японскими фирмами. Один из крупнейших производителей – фирма Garrett (подразделение концерна Honeywell). Согласно проведенному фирмой Global Insight и Honeywell анализу рынка турбокомпрессоров вслед за Западной Европой ожидается их широкое применение на автомобилях, продаваемых в США и в Китае (рис. 1).

Преимущество применения турбонаддува на дизелях объясняется возможностью увеличения их тягово-скоростных характеристик до уровня, сравнимого с бензиновыми двигателями равного с ними литража. При этом дизели с наддувом развивают значительно больший крутящий момент, что способствует разгонной динамике и позволяет реже переключать передачи. Устаревшие представления о плохой динамике и повышенном дымлении дизелей связаны с применявшимися ранее двигателями без наддува, ТНВД которых подавали топливо под относительно низким давлением, а его дозирование осуществлялось посредством механических средств. Современные дизели оснащаются системами Common Rail. Последние обеспечивают впрыск топлива под давлением до 2000 бар. При этом подача топлива производится несколькими порциями и в точном соответствии с количеством воздуха, поступающего в цилиндры. Сначала впрыскивается небольшая предварительная доза топлива, а после ее сгорания подается основная доза, которая воспламеняется практически без задержки, называемой периодом индукции. В результате давление в цилиндре повышается относительно плавно, а характерный для дизеля шум мало отличается от шума бензинового двигателя.

Применение наддува на бензиновых двигателях ограничено возможностью возникновения детонации, поэтому приходится вводить средства противодействия, из которых наиболее часто применяются снижение степени сжатия и охлаждение смеси при испарении бензина, впрыскиваемого непосредственно в цилиндры двигателя.

О целесообразности применения турбонаддува можно судить по приведенным в таблице характеристикам трех близких по мощности 4-цилиндровых двигателей, устанавливаемых на автомобили VW Passat 4Motion.

Следует отметить, что повышенный запас крутящего момента двигателей с турбонаддувом достигается регулированием давления газов перед турбиной посредством их перепуска через байпас или изменением геометрии соплового аппарата. В последнем случае применяется обычно венец с поворотными лопатками. Следует отметить, что регулирование турбокомпрессора перепуском части газов помимо турбины приводит к определенным потерям их энергии и соответствующему снижению эффективности системы наддува.

Следуя современным тенденциям совершенствования автомобильных двигателей, фирма Honeywell разработала несколько конструкций малоразмерных компрессоров, в том числе для устанавливаемого на индийском автомобиле Tata Nano 2-цилиндрового двигателя рабочим объемом 0,8 л.

Фото 1. Турбокомпрессор модели КР фирмы BorgWarner

Не менее известная компания BorgWarner поставляет малоразмерные турбокомпрессоры как для дизелей, так и для форсированных бензиновых двигателей, у которых температура газов перед турбиной достигает 1050°С. Корпуса турбин этих турбокомпрессоров отливаются из специальной жаростойкой стали, а в средних корпусах с установленными в них подшипниками ротора предусмотрены полости, подключаемые к системе охлаждения двигателя. Фирма выпускает также турбокомпрессоры с корпусами, изготовленными штамповкой из листовой стали. Чтобы ускорить прогрев нейтрализатора, корпус турбины отливают интегрированным с выпускным коллектором. В некоторых случаях применяются коллекторы и корпуса турбин с тепловыми экранамииз листовой стали.

Фото 2. Агрегат двухступенчатого наддува R2S

Для дизелей мощностью от 50 до 130 л.с. фирма BorgWarner поставляет турбокомпрессоры моделей KP31–K03 (фото 1), регулирование которых осуществляется посредством перепускного клапана с пневматическим или электрическим приводом. Для дизелей мощностью от 80 до 250 л.с. предназначены турбокомпрессоры моделей BV35–BV50 с изменяемой геометрией соплового аппарата турбины, лопатки которого поворачиваются также посредством пневматического или электрического привода. Некоторые из этих турбокомпрессоров имеют охлаждаемый корпус подшипников, включаемый в контур системы охлаждения двигателя. На дизели мощностью от 130 до 350 л.с. фирма предлагает устанавливать системы двухступенчатого наддува R2S с регулируемым перепуском газов между турбинами высокого и низкого давления (фото 2).

Одной из последних разработок фирмы является турбокомпрессор с двойной улиткой и поворотными лопатками соплового аппарата турбины. Применение двух улиток в сочетании с раздельными выпускными коллекторами способствует сохранению кинетической энергии выходящих из цилиндров газов, что содействует повышению эффективности турбокомпрессора при низких и средних частотах вращения вала двигателя. При этом также улучшается динамика разгона турбокомпрессора при резкой подаче нагрузки.

Читать еще:  Авианосца только с помощью своих двигателей

Для бензиновых двигателей мощностью от 60 до 340 л.с. BorgWarner предлагает турбокомпрессоры моделей BO31–BO53 c перепускным клапаном и моделей BO45–BO53 со сдвоенной улиткой. Турбокомпрессоры с изменяемой геометрией соплового аппарата турбины выпускаются для двигателей мощностью от 160 до 220 л.с. Все турбокомпрессоры для бензиновых двигателей рассчитаны на работу при температуре отработавших газов до 1050°С, благодаря чему отпадает необходимость в охлаждении смеси за счет ее переобогащения. В результате при работе двигателя с большой нагрузкой возможна экономия топлива до 20%.

Особенности двигателя TDI

Двигатель TDI — это повышенная мощность при низком объеме вредных выбросов. Под аббревиатурой TDI (Turbo Diesel Injection) понимается дизельный силовой агрегат, который обладает повышенным крутящим моментом, незначительными топливными затратами и высокой мощностью. Какими же еще положительными сторонами и спецификой отличается подобный мотор?

Единственная модель Volkswagen, которая комплектуется TDI — полноприводный внедорожник Toaureg. Этот тип двигателя не самый популярный на автомобилях Volkswagen, в отличии от TSI. На Passat В8, Passat СС, Tiguan устанавливают сейчас (2016 года) только двигатели типа TSI. На Golf и Jetta кроме TSI устанавливают также MPI-двигатели.

Каждый современный мотор с турбонагнетателем, а также прямым впрыском в транспортных средствах «Volkswagen» помечают как TDI. Важной отличительной чертой для каждого такого мотора считается то, что топливный впрыск, который производится под повышенным давлением вместе с изменяющейся турбинной геометрией, дозволяет осуществлять сжигание предельно эффективно.

Во время применения технологии прямого топливного впрыска удается достичь уровня КПД максимум 45 процентов. В результате происходит преобразование значительной доли возможной топливной энергии в кинетическую, то есть в моторную мощность. Хотя для этого нужно, чтобы почти полностью и эффективно сгорало топливо. Достигается это с помощью особенной конфигурации камеры сгорания.

Главные положительные стороны TDI

Двигательное устройство TDI отличает экономное расходование. Важнейшими его положительными сторонами считаются:

  • незначительное топливное потребление;
  • небольшой объем выбросов вредоносных веществ;
  • надобность лишь изредка проводить автосервисные работы и техобслуживание.

Непосредственно во время низких оборотов получается в значительной мере увеличить мощность до предельной вращательной частоты. Происходит улучшение показателей разгона, а заодно качества рабочей динамики. Повышенный крутящий момент заодно обеспечивает предельное удобство от вождения автомобиля, который оснащен двигательным устройством TDI.

Прямой либо предварительный топливный впрыск?

Двигатели с прямым топливным впрыском осуществляют довольно жесткое топливное сжигание. В итоге при охлажденном запуске, как правило, появляется отличительный гул. Во избежание этого дизельное топливо впрыскивается предварительно.

Перед главным циклом непосредственно в камеру сгорания происходит топливная подача в малом объеме. Давление в камере повышается не немедленно, а понемногу, поэтому сгорание становится «мягким».

Уменьшение вредоносных выбросов

После того, как топливо предварительно впрыскано, происходит постинжекционный процесс, приводящий к уменьшению выброса вредоносных веществ. Минимизируются азотные оксиды в выхлопе за счет того, что в камеру сгорания попадает немного топлива исходя от оборотов. Когда смешиваются воздух, который поглощается, а заодно выхлопные газы, в камере уменьшается температурный режим, поэтому происходит сокращение объема азотных оксидов.

Двигательный турбонагнетатель

В моторах TDI используется турбонагнетатель с изменяющейся геометрией, что дозволяет осуществлять сжимание воздуха, который поглощается. За счет этого увеличивается объем поглощаемого воздуха в камере. В итоге мощность мотора повышается при прежней объемности и на таких же оборотах.

Две турбины формируют устройство турбонагнетателя. Находящаяся в выпускном тракте турбина, начинает вращаться от исходящей массы выхлопных газов. Она начинает двигать компрессорное колесо, которое осуществляет сжатие воздуха непосредственно на впуске. Воздух, нагреваемый во время сжатия, подвергается охлаждению и затем поступает в камеру. Так как при снижении температурного режима объем воздуха также уменьшается, то и в камере его оказывается больше.

Изменение турбинной геометрии

Система VTG сегодня довольно успешно употребляется в моторах TDI. Во время малых оборотов и незначительном газовом объеме блок контроля меняет местоположение механических устремляющих лопастей, при которых происходит сужение диаметра. Это способствует ускорению газового потока и усилению давления. При повышении оборотов мотора происходит усиление выхлопного давления, поэтому блок контроля наоборот повышает трубопроводный диаметр. Подобные нагнетатели способствуют приданию дополнительной мощности мотору, уменьшая объем выбросов и увеличивая приемистость.

Читать еще:  Шумно работает двигатель сузуки гранд витара

Принцип работы турбокомпрессора

Смотрите видеоролики и анимационные фильмы на канале YouTube Cummins Turbo Technologies, в которых показано, как работает турбонагнетатель.

Важные моменты работы дизельных двигателей

Основное предназначение двигателя – сжигание топливовоздушной смеси с последующим преобразованием полученного тепла в механическую энергию. Механическая энергия используется для совершения возвратно-поступательного движения поршней, которое, в свою очередь, преобразуется во вращательное движение колес автомобиля. Чем больше получено механической энергии, тем выше мощность. Одно из важных отличий дизельных двигателей с турбонаддувом от традиционных безнаддувных двигателей заключается в том, что воздух в дизельном двигателе находится в сжатом состоянии еще до подачи топлива. Именно поэтому турбонагнетатель так важен для обеспечения выходной мощности и КПД дизельного двигателя. Сжимать воздух, поступающий в цилиндры двигателя, – работа турбонагнетателя. После сжатия воздуха молекулы кислорода располагаются компактнее. Это означает, что по сравнению с безнаддувным двигателем, в двигатель с турбонаддувом того же объема можно впрыскивать больше топлива, что приводит к повышению механической мощности и общего КПД двигателя. Поэтому при заданной мощности двигателя габариты двигателя с турбонаддувом меньше, чем у безнаддувного двигателя. Это способствует применению более компактной конструкции, снижению веса и общему повышению топливной экономичности. Хотя концепция турбонаддува относительно проста, турбонагнетатель играет важную роль в работе дизельного двигателя, поэтому для него требуются высокотехнологичные узлы и детали. Благодаря нашему богатому опыту в области технологий турбонаддува и знанию двигателей, мы производим и выпускаем турбонагнетатели мирового уровня, известные своей долговечностью, высоким уровнем безопасности и надежностью, которые необходимы для современных двигателей.

Принцип работы турбонагнетателя

Турбонагнетатель состоит из двух основных частей: турбины и компрессора. Турбина состоит из рабочего колеса (1) и корпуса (2). Среди прочего, назначение корпуса турбины – направлять отработавшие газы (3) на рабочее колесо турбины. Отработавшие газы приводят во вращение рабочее колесо, после чего покидают корпус турбины через зону выхода отработавших газов (4).

(1) Рабочее колесо турбины
(2) Корпус турбины
(3) Отработавшие газы
(4) Зона выхода отработавших газов
(5) Рабочее колесо компрессора
(6) Корпус компрессора
(7) Кованый стальной вал
(8) Сжатый воздух

Компрессор состоит из двух частей: рабочего колеса (5) и корпуса (6). Принцип работы компрессора противоположен принципу работы турбины. Рабочее колесо компрессора соединено с турбиной кованым стальным валом (7) и при вращении турбины на высоких оборотах захватывает и сжимает воздух. Затем в ходе процесса под названием «диффузия» в корпусе компрессора поток воздуха, имеющий низкое давление и высокую скорость, преобразуется в поток воздуха с высоким давлением и низкой скоростью. После этого сжатый воздух (8) подается в двигатель, что позволяет сжигать в двигателе больше топлива и вырабатывать больше мощности.

Проверка и диагностика турбин бензиновых и дизельных двигателей

КАК РАБОТАЕТ ТУРБИНА

Вкратце принцип работы турбины таков: для увеличения мощности мотора в него необходимо подать больше топлива. Это не проблема, но кислорода в смеси тоже нужно будет больше, а вот его в атмосферном режиме цилиндры засосать не смогут. Турбокомпрессор сжимает воздух и нагнетает его в цилиндры под давлением – для этого внутри турбины установлены лопасти.

Понятно, что самому компрессору тоже где-то нужно брать энергию на вращение, и немаленькую –. Можно тратить на это часть мощности двигателя (системы с приводным нагнетателем хоть и редки, но существуют), но лучше – использовать для привода компрессора энергию выхлопных газов. Так и мощность расходуется совсем чуть-чуть, 1,5-2%, и КПД силового агрегата значительно повышается.

Конструктивно турбокомпрессор состоит из двух корпусов-«улиток»: «горячей» (это, собственно, и есть турбина, принимающая потоки отработанных газов) и «холодной» (компрессора, нагнетающего воздух во впускной коллектор). Внутри них находятся два колеса с лопастями, жестко связанные между собою осью-ротором, находящимся тоже в своем корпусе, где установлены подшипники и предусмотрена система смазки и охлаждения.

На двигатели может устанавливаться как одинарный турбокомпрессор, так и система из двух или даже нескольких турбин, с разной схемой установки:

параллельная, когда каждая турбина отвечает за свою часть цилиндров, работая либо по прямому, либо по перекрестному принципу;

Читать еще:  Автоматический запуск двигателя пандора 3700

последовательная (секвентальная), когда турбины установлены одна за одной, первая работает при малых оборотах двигателя, вторая – при больших. В системе битурбо это турбины разных диаметров (вторая – больше), а в твин-турбо – одинаковых.

Двойной турбонаддув позволяет увеличивать мощность во всех диапазонах оборотов, избегать т.н. турбо-ям. Кроме того, в последнее время появились турбины с изменяемой геометрией.

СЛАБЫЕ МЕСТА ТУРБОКОМПРЕССОРА


Условия работы турбины нельзя назвать щадящими. Скорость вращения вала компрессора доходит до 200 000 оборотов в минуту, а температура выхлопных газов достигает 1000 °C у бензиновых моторов и «всего лишь» 750-850 у дизельных. Это обуславливает высокие требования к материалам, из которых производятся компоненты узла. Например, корпуса «улиток» льют из высокопрочного жаростойкого чугуна. Все детали турбокомпрессора изготавливаются и подгоняются с прецизионной точностью, исключающей минимальные люфты и зазоры.

Между тем, лишь небольшая часть поломок турбин (5-10%) происходит от естественного износа узла, «от старости». Причина большинства неисправностей – неправильная эксплуатация:

Использование моторного масла с неподходящими характеристиками. Система смазки турбины одновременно является и системой охлаждения (даже, если работает параллельно с жидкостным охлаждением), поэтому теплоотдача масла очень важна.

Пренебрежение сервисными интервалами замены масла. Кроме ухудшения охлаждающих свойств, старое масло содержит большое количество частиц износа, разрушающих подшипники и ротор компрессора.

Масляное голодание, причиной которого может быть как низкий уровень смазки, так и неисправности масляного насоса или клапана фильтра.

Попадание посторонних предметов через воздушный канал (при засоренном или поврежденном фильтре) либо из выхлопной системы (повреждения катализатора, глушителей, поршневой группы и т.п.).

Неграмотный чип-тюнинг, приводящий к слишком быстрому вращению турбины.

ПРИЗНАКИ НЕИСПРАВНОСТИ ТУРБИНЫ

Как правило, турбокомпрессор редко выходит из строя моментально. Первые симптомы неполадок в турбине проявляют себя еще при практически полной ее работоспособности. Признаками «умирания» турбины будут:

посторонние шумы (гул или свист) из турбокомпрессора;

повышенный угар/расход масла;

выхлоп сизого или черного цвета;

масляные подтеки (повышенное запотевание) из-под уплотнений патрубков, хомутов;

снижение мощности двигателя;

увеличение температуры (перегрев).

Надо заметить, что в некоторых случаях прекращение работы турбины не является следствием ее неисправности – например, при выходе из строя вакуумного насоса или при неполадках в электронной системе управления.

КАК САМОСТОЯТЕЛЬНО ПРОВЕРИТЬ ТУРБИНУ


Проверить работоспособность и износ турбокомпрессора можно самостоятельно, не снимая узел с автомобиля. Это поможет и при диагностике проблем на собственном автомобиле, и при покупке машины с пробегом, оснащенной турбонаддувом.

Осмотрите патрубки турбины, в первую очередь – тот, что соединяет компрессор с впускным коллектором или интеркулером, отсоедините его. Допускается лишь небольшое масляное запотевание, обильное количество масла будет говорить об износе турбины или двигателя.

Осмотрите крыльчатку колеса турбины. Лопасти должны быть без повреждений, зазубрин, иметь правильную геометрию.

Проверьте люфты вала турбины: осевой (вперед-назад) и радиальный (влево-вправо). В первом случае его не должно быть вообще (максимум 0,5 мм), во втором допускается максимум 1 мм.

Осмотрите всю магистраль: патрубки, фланцы, корпуса турбины и компрессора на предмет трещин.

Проверить работоспособность турбины можно и на запущенном двигателе. Для этого нужно передавить рукой патрубок, идущий от нагнетателя к двигателю или интеркулеру, и дать газу (нажать на педаль акселератора). Если при этом чувствуется, что патрубок надувается – значит, условно турбина исправна.

РЕКОМЕНДАЦИИ

Безусловно, такие проверки могут дать лишь поверхностное представление о работоспособности турбокомпрессора. Для качественной диагностики лучше обратиться к профессионалам – например, на СТО сети умных автосервисов Wilgood. Тем более это касается ремонта турбины: качественно перебрать, подогнать и отбалансировать детали турбокомпрессора в гаражных условиях, при отсутствии опыта, невозможно.

Чтобы продлить жизнь турбины, придерживайтесь несложных правил:

используйте только те моторные масла, которые рекомендует производитель автомобиля;

вовремя меняйте масло, фильтры (в т. ч. воздушный) на новом автомобиле, при росте пробега сокращайте межсервисный интервал как минимум вдвое;

не глушите двигатель сразу после остановки, дайте ему поработать 1-1,5 минуты (можно установить турботаймер);

всегда прогревайте автомобиль с турбонаддувом перед поездкой хотя бы 1-2 минуты;

не превышайте оборотов двигателя и не злоупотребляйте чип-тюнингом.

И да пребудет с вами сила и мощь турбины!

Ссылка на основную публикацию
ВсеИнструменты
Adblock
detector