Для начала несколько слов о том, что такое турбина и как она работает
Практически у всех турбированных двигателей одинаковый принцип. Первые турбокомпрессоры устанавливали исключительно на большегрузные авто, а также на гоночные авто еще в начале прошлого века. Как вы понимаете, тогда вес и конструкция турбин оставляли желать лучшего, чего не скажешь о современных экземплярах. Турбокомпрессоры нового поколения компактны и просты в установке, а их эффективность в разы выше их предшественников. Но, как и все в этом мире, в один прекрасный день турбокомпрессор начинает «барахлить», двигатель теряет былую мощность и производительность, в итоге у вас появляется новая «головная боль».
Практические все турбины имеют улиткообразную форму корпуса. Воздушные каналы корпуса сужаются на выходе, что способствует увеличению давления и скорости вращения. По воздушным каналам движутся отработанные газы, которые поступают из выпускного коллектора. Двигаясь по каналам они набирают большую скорость и воздействуют на лепестки, которые вращаясь под давлением выхлопных газов, раскручивают ротор. Ротор, вращаясь раскручивает крыльчатку турбонаддува, которая закачивает воздух и подает его в камеру сгорания под высоким давлением. А как вы знаете из школьного курса физики, чем больше воздуха, тем крепче будет горение.
Из-за высокого давления, которое создается при нагнетании воздуха, турбина нуждается в охлаждении, роль радиатора для турбины выполняет интеркулер. Турбина использует систему смазки двигателя, которая подается по специальному контуру. Масло, кроме смазки осуществляет охлаждение турбины.
Читать также : Причины перегрева мотора и устранение неисправностей
Теперь когда мы разобрались с тем, что такое турбина и как она устроена, предлагаю рассмотреть основные признаки неисправности турбокомпрессора.
Признаки неисправной турбины:
- Плохая тяга, ухудшение динамики;
- Двигатель долго набирает обороты;
- Голубоватый или сизый дым из выхлопной;
- Появление характерного запаха горелого масла;
- Перерасход масла;
- Свист или другой шум из-под капота;
- Плавающие холостые обороты.
Дополнительные элементы системы
Стоит отдельно рассмотреть несколько дополнительных элементов. Они тоже входят в конструкцию компрессоров и регулируют определенные процессы.
Клапан Blow-off
Блоу-офф клапан по-другому еще называют перепускным. Установка этого клапана осуществляется в воздушной системе, обычно между дизельной заслонкой и выходным отверстием компрессора. Цель клапана — устранение аварийных ситуаций при работе агрегата. Например, в процессе эксплуатации агрегат может перейти в нежелательный режим surge, если вовремя это не остановить.
Данный режим возникает из-за высокой скорости воздушного потока. В этом случае компрессор старается перекрыть дроссель и хочет сделать это как можно резче. Объясняется возникновение режима тем, что скорость воздушного потока вследствие выхода газов и сам расход воздуха начинают резко снижаться. Турбина же, ввиду силы инерции продолжает быстрое вращение.
Если не уменьшить вращения, последствия могут быть печальными. Один из признаков подобного скачка воздуха – неприятный звук, который прорывается через компрессор. Дальнейшее игнорирование проблемы приведет к поломке подшипников турбины, которые вынуждены принимать большие нагрузки из-за возникших скачков.
Если же клапан не успел, и дроссель закрылся, то блоу-офф начинает стравливание в атмосферу избытка давления. Благодаря подобной работе удается снизить риск аварии и уберечь турбокомпрессор от больших нагрузок, способных вызвать его поломку.
Клапан Wastegate
Механический клапан Wastegate устанавливают на турбине или на конструкции выпускного коллетора. Основная задача этой детали заключается в регулировании уровня давления, которое постепенно нарастает внутри компрессора.
Конструкции некоторых дизельных двигателей не содержат вейстгейт, а вот в случае бензиновых агрегатов наличие подобного клапана – обязательное требование для его надежной эксплуатации.
Благодаря работе вейстгейта удается обеспечить беспроблемный и беспрепятственный выход для выхлопных газов из системы. При этом отработавшие газы обходят работающую турбину. С помощью подобного распределения газов осуществляется контроль за нужны количеством энергии.
Подобная предусмотрительность позволяет организовать эффективное управление давлением наддува внутри компрессора. Осуществление контроля обеспечивается за счет встроенной пружины, которая создает противодавление. Именно эта конструкция контролирует обходной поток отработавших газов.
Клапан по виду может быть:
- Встроенным. Конструкция подразумевает наличие заслонки, которая встраивается в хаузинг. Хаузинг также называют «улиткой» основной турбины агрегата. Также этот элемент содержит пневматический актуатор.
- Внешний. Гейт такого типа представляет стандартный клапан, устанавливаемый на выпускной коллектор. У этого клапана есть преимущество, которое делает его более востребованным нежели встроенный. При необходимости клапан позволяет вернуть сброшенных обходной поток. В случае спортивных автомобилей сброс клапан сбрасывает газы прямо в атмосферу, предотвращая их попадание внутрь турбины.
Лада 21099 турбо PROJECT ORIGIN › Бортжурнал › Ремонт турбины (турбокомпрессора) своими руками
Перед ремонтом турбины нужно ее тщательно осмотреть с внешней стороны с целью выявления наличия всех составных частей, внешних дефектов и деформаций.
Затем с турбины снимаются обе «улитки» и визуально определяется состояние обеих крыльчаток. Довольно часто крыльчатки имеют физические повреждения видные не вооруженным глазом. Такие повреждения сразу говорят о том, что ремонт турбины неизбежен. Если турбина гонит масло
Затем происходит дефектовка всех составляющих частей турбины для выявления пригодности каждой части к восстановлению. Части признанные не пригодными — необходимо заменить новыми.
Ремонт турбин дизельных и бензиновых двигателей в принципе ничем не отличаются и происходит в несколько этапов:
После этого, детали прошедшие дробеструйную обработку снова промываются для смыва и полного удаления возможно оставшихся на деталях твердых частиц. Многочисленные повреждения лопаток компрессорного колеса.
Кроме визуально видных повреждений крыльчаток, основными повреждениями являются повреждения опорных подшипников, стопорных колец, втулок и самого вала. Обычно эти повреждения происходят от отсутствия поступления масла к рабочим поверхностям при работе турбины или использование не рекомендованных масел. Повышенный износ шейки вала.
Причина: Количество или давление масла, подаваемого в ТКР, меньше требуемого. При ремонте возможно придется заменить вал на новый. В большинстве случаев вал не меняется. Значительный неравномерный износ шейки вала.
Причина: Грязное масло. При ремонте необходимо вал заменить на новый. Значительный неравномерный износ подшипника.
Причина: Грязное масло. При ремонте все подшипники заменяются на новые. Пригоревшее масло в масляных каналах подшипников.
Причина: Перегрев двигателя или резкое выключение двигателя, некачественное масло. При ремонте все подшипники заменяются на новые. Начало ремонта турбины своими руками.
Затем вал турбины замеряется на износ. Если износ вала турбины находится в пределах нормы, то он поступает на специальный токарно-шлифовальный станок, где шлифуется в ремонтный размер. На специальном станке правиться канавка запорного кольца. Затем происходит процесс балансировки. Он состоит из двух этапов. Сначала вал турбины балансируется в двух плоскостях турбинного колеса. После этого на вал устанавливаются втулки и компрессорная крыльчатка и в таком виде, снова поступает на балансировку. Балансировка турбины на стенде.
Для балансировки турбин для грузовых и легковых автомобилей существуют отдельные специализированные стенды.
Во время балансировочных работ наносятся специальные балансировочные метки, по которым собирается «картридж» турбины. В принципе получается собранная турбина только без «улиток».
Собранный таким образом картридж поступает для тестирования на до балансировочный стенд, на котором на «холодную» крыльчатку подается сжатый воздух и турбина раскручивается до 5.000 оборотов в минуту.
Если все параметры турбины в норме, то к картриджу прикручиваются «улитки».
Охлаждение надувочного воздуха (интеркулляция)
КОММЕНТАРИИ — 0
Воздух, сжатый турбокомпрессором, как и другие газы, нагревается и расширяется. Горячий воздух обладает меньшей плотностью и содержит значительно меньше кислорода, чем холодный. Плотность холодного воздуха увеличивается приблизительно на 10 — 15 %. Большее количество кислорода означает большее количество сгоревшего топлива, т.е. двигатель развивает большую мощность. Второй, но не менее важный эффект – это положительное влияние снижения температуры воздушного заряда на процесс сгорания, вследствие снижения детонации. Подача в двигатель более холодного воздуха заметно снижает температурную нагрузку, что благоприятно влияет на его надежность и долговечность. По этим причинам перед подачей воздуха в цилиндры, для повышения мощности двигателя его следует охлаждать.
Интеркуллер – это радиатор или, более правильно, охладитель, помещенный между компрессором и впускным коллектором.
Наиболее часто применяются охладители типа воздух/воздух и системы, которые используют охлаждающую жидкость для охлаждения воздуха (охлаждающая жидкость/воздух. Интеркуллеры типа воздух/воздух имеют наибольшее распространение в силу своей простоты и надежности, так как они не имеют никаких движущихся частей. Такой интеркуллер состоит из трубы и радиатора и изготавливается преимущественно из алюминия. Эффективность работы интеркуллера зависит от его объема, а значит от наличия свободного пространства для установки. Теплопередающая способность достаточна, но потери давления могут быть высокими, особенно при малых размерах. Данная потеря давления на интеркуллере обнаруживается как увеличение более чем вдвое давления в выпускном коллекторе – одного из главных врагов турбонаддува.
Интеркуллер воздух-вода сложнее. Он состоит из двух радиаторов, один между турбиной и двигателем, другой перед стандартным радиатором системы охлаждения. Вода циркулирует при помощи электрического насоса. Выбор использования типа интеркуллера основывается на факторах свободного пространства, возможностью обдува воздухом интеркуллера, используемыми датчиками расхода воздуха. Например, для 6 цилиндрового BMW используется интеркуллер на основе воды, так как для интеркуллера воздух/воздух соответствующих размеров, нет места. Кроме этого отсутствует поток воздуха с высокой скоростью в местах, где можно было бы разместить интеркуллер. С другой стороны, в Ford Mustang GT ситуация идеальная, для установки интеркуллера воздух/воздух. Пространства достаточно для действительно огромного интеркуллера и он в зоне мощного воздушного потока.
Кроме систем воздух/воздух и жидкость/воздух ведутся разработки по применению распыленной воды в систему впуска. Теплота, поглощенная при испарении воды имеет сильный эффект охлаждения горячего сжатого воздуха, выходящего из турбины. Понижение в температуры наддувного воздуха снижает тенденцию к детонации.
Существуют также специальные конструкции, в которых охлаждение воздуха происходит до температуры ниже окружающей среды, за счет использования льда.
Tags: Турбонаддув
Вперед Резонансные трубопроводы
Все записи
Назад Блок цилиндров двигателя
Действия в специфических ситуациях
Иногда могут наблюдаться ситуации, когда заглушить мотор простыми способами не представляется возможным. К примеру, когда сломался электрический клапан, но двигатель нужно остановить. В подобном случае включают самую высокую скорость и на фоне медленного отжатия сцепления, плавно нажимают на тормоз. После того как вы выполнили торможение, целесообразно налить в масляный картер немного бензина (около стакана) для того чтобы повысить общую вязкость масла.
Совет особенно целесообразно использовать в холодную погоду, для того чтобы в дальнейшем мотор нормально запускался. Когда мотор нужно установить после длительной дороги, сначала используют пару минут работы на холостых оборотах. Этот метод целесообразен для того чтобы сохранить все действующие узлы и не создавать нагрузки на агрегат. Особенно совет полезен для турбированных моторов, однако даже если турбина в двигателе отсутствует, он всё равно является актуальным.
Некоторые современные автомобили имеют турботаймеры. Эти приборы продолжают работу мотора и при выключении зажигания турботаймер определяет временной интервал на протяжении которого силовому агрегату следует продолжить свою работу для того чтобы в итоге заглохнуть, но без существенного риска повреждения механизмов. Таким образом при отсутствии турботаймера лучше просто давать немного времени на холостых оборотах, но если турботаймер имеется, то вполне возможно полагаться и на мнение этой аппаратуры.
Как правильно глушить дизельный двигатель с турбиной и бензиновый турбомотор
Если силовой агрегат оснащен системой турбонаддува, тогда глушить такой двигатель сразу крайне нежелательно. Данное требование справедливо как для дизелей, так и для бензиновых авто. Более того, режим нагрузок на ДВС не имеет большого значения.
Игнорирование данного правила приводит не только к локальным перегревам мотора, но и добавляются возможные поломки турбокомпрессора, значительное сокращение его ресурса и т.д. Проблема заключается в том, что турбина работает за счет потока выхлопных газов и сильно разогревается от контакта с ними. Если резко заглушить двигатель, произойдет остановка горячего турбокомпрессора. В результате подача моторного масла, которое смазывает и охлаждает подшипники турбины, полностью прекращается. Инерционного вращения турбокомпрессора после остановки мотора достаточно для работы практически «на сухую». Получается, температура турбины сильно повышается, смазка подшипников турбины происходит только за счет остаточного масла в самом турбокомпрессоре. Под воздействием высоких температур и нагрузок остаточное масло коксуется, страдают от износа механические элементы турбонагнетателя.
С учетом вышесказанного турбомоторы нужно глушить только после того, как двигатель поработает в режиме холостого хода от 60 секунд до 2-3 минут. За это время температура турбины снижается, так как интенсивность и температура потока выхлопных газов на холостом ходу минимальна. Любой автомобиль рекомендуют глушить не ранее десяти секунд после полной остановки транспортного средства, это относится к любым типам двигателей и автомобилям.
Так что случилось с двигателем?
Ситуация, проиллюстрированная видео, – классический разнос дизельного мотора. Всего существует три причины, по которым двигатели начинают себя вести таким образом:
попадание большого количества масла в камеру сгорания через неисправный турбонагнетатель;
неисправность топливного насоса высокого давления;
неисправность форсунок.
В случае попадания масла в цилиндры происходит следующее: масло начинает попадать в цилиндры в возрастающем количестве (порой на сильно изношенном двигателе газы прорываются через стенки поршня из камеры сгорания в картер, подхватывают масляный туман из картера и выносят его во впускной коллектор, создавая масляно-воздушно-топливную питательную смесь), что влечет за собой увеличение оборотов, поддерживающее критическую скорость вращения коленвала.
Последствия ЧП: пробитая оборвавшимся шатуном стенка блока
Минусы такого подхода очевидны:
- возрастающая серьезная поломка мотора;
- двигатель может не заглохнуть, поскольку неисправность может крыться в ТНВД или форсунках. Ждать, пока израсходуется топливо в баке, – вариант пропащий. В таком случае стоит незамедлительно звонить по телефону 112 в экстренную службу и объяснить ситуацию. Бригада пожарных не помешает.
фото: Zach Pumphery / flickr.com
Губительное явление может происходить со всеми дизелями
Охлаждение турбины дизельного двигателя
Обладатели турбомоторов часто задаются вопросом касательно необходимости охлаждения турбины перед тем, как заглушить мотор. Подобное охлаждение предполагает несколько минут работы ДВС на холостом ходу. Для получения точного ответа необходимо выяснить, в каких условиях работает турбокомпрессор двигателя. Отработавшие газы несут в себе большое количество полезной энергии, которая получена в результате сгорания топлива в цилиндрах. Перенаправление потока выхлопа на турбинное колесо позволяет реализовать эффективный привод для компрессора. Так удается получить нагнетание воздуха под давлением без отбора мощности у ДВС, что принципиально отличает турбокомпрессор от механического нагнетателя.
Турбонагнетатель является осью, на концах которой присутствуют колеса с лопатками. Выделяют турбинное и компрессорное колесо. Указанные колеса находятся в специальных корпусах. Нагнетатель ставится в выпускном тракте, так как турбинное колесо вращается от контакта с отработавшими газами. Такое вращение позволяет компрессорному колесу вращаться параллельно, засасывать и сжимать воздух для подачи в цилиндры двигателя.
Охлаждение ротора газовой турбины
Рис.5. Охлаждение ротора турбины продувкой воздуха через хвостовые крепления рабочих лопаток: 1 — ротор, 2 — канал для подвода охлаждающего воздуха, 3 — корпус турбины, 4 — дефлектор, 5 — рабочие лопатки, 6 — хвостовики лопаток, 7 — диски
В настоящее время широко используются различные схемы охлаждения роторов газовых турбин.
Схема охлаждения ротора турбины продувкой воздуха через хвостовые крепления рабочих лопаток показана на рис.5. Охлаждающий воздух подается через каналы 2 и, проходя между дефлектором (покрывным диском) 4 и диском 7, попадает в зазоры хвостовиков 6 рабочих лопаток 5. Охлаждая хвостовики рабочих лопаток, воздух препятствует поступлению теплоты к ротору. Если ротор состоит из дисков с большим полотном, такая система охлаждения оказывается недостаточной.
Наибольшее распространение получили три схемы охлаждения дисков: с радиальным обдувом, струйное и комбинированное струйно-радиальное.
Радиальное течение охлаждающей среды в зазоре между корпусом и боковыми поверхностями дисковых или барабанных роторов возникает во многих конструкциях газовых турбин. Такое течение может быть направлено как от оси вращения ротора к периферии дисков, так и в противоположную сторону.
Пять типичных режимов течения охлаждающей среды, возникающих при радиальном обдуве, показаны на рис.6,а—д. Возникновение обратных течений возможно, если расход охлаждающей среды мал.
Рис.6. Схемы радиального течения охлаждающей среды в зазоре между диском и корпусом турбины
Вследствие закрутки потока возникает радиальный перепад давлений, вызывающий в пограничном слое на корпусе течение от периферии диска к центру. Возникновению обратных токов препятствует расходное течение. Увеличение расхода среды уменьшает закрутку потока и снижает перепад давлений. Характер течения в зазоре между диском и корпусом зависит от значения кинематического фактора.
Рис.7. Охлаждение диска с дефлектором: 1 — уплотнение, 2 — корпус, 3 — дефлектор, 4 — диск
Разновидностью охлаждения радиальным обдувом является охлаждение с помощью специального покрывного диска — дефлектора (рис.7). Такая схема охлаждения позволяет быть уверенным, что даже если в зазор между диском и корпусом проникнут горячие газы, то они не будут перемешиваться с охлаждающим воздухом и, следовательно, нагревать диск. Как правило, охлаждающий воздух после дефлекторa проходит через зазоры между хвостовиками рабочих лопаток и пазами диска, отводя часть теплоты, поступающей к диску, через перо рабочей лопатки.
Струйное охлаждение применяют для резкого усиления теплообмена на ограниченной поверхности. В газовых турбинах обычно возникает необходимость охладить периферию диска (наиболее нагретую его часть). Струйное охлаждение позволяет, не повышая расхода охлаждающей среды, увеличить скорость ее натекания на поверхность диска.
Для этого охлаждающую среду подают через узкий кольцевой канал либо отдельными струями, вытекающими из расположенных на одной окружности круглых или прямоугольных сопл (рис.8,а-г). В зоне, расположенной между осью вращения ротора и местом подвода воздуха, возникает циркуляционное течение, в которое, как правило, вовлекаются горячие газы из проточной части турбины. Следовательно, при струйном охлаждении необходимо тщательно уплотнять приторцовую полость диска, отделяя ее от проточной части турбины.
Рис.8. Формы каналов (а,б,в) и схема течения воздуха (г) при струйном охлаждении диска: 1 — корпус, 2 — каналы для подвода охлаждающего воздуха, 3 — диск
В большинстве случаев как по условиям распределения температур в диске турбины, так и по чисто конструктивным соображениям нельзя применять чисто струйное охлаждение. Поэтому используют комбинированное струйное охлаждение периферии диска и радиальный обдув его внутренней части (рис.9). Такая схема охлаждения позволяет отбирать основное количество теплоты от диска в наиболее нагретой его части — местах крепления хвостовиков рабочих лопаток.
Рис.9. Комбинированное струйно-радиальное охлаждение диска: 1,3 — каналы подвода охлаждающего воздуха, 2 — корпус, 4 — диск
Подбором расхода воздуха на радиальный обдув можно предотвратить или резко снизить приток горячих газов из проточной части турбины в зазор между диском и корпусом. Кроме того, соответствующее соотношение расходов воздуха на струйное и радиальное охлаждение обеспечивает необходимое распределение температур в диске.
Турботаймер и циркуляционные насосы
Штатно же турботаймеры не устанавливают даже на автомобили с заряженными двигателями. И не потому, что проблема куда-то пропала — принципиально в ДВС ничего не поменялось. Да, изменились и стали более совершенными конструкции, материалы и смазки, но перегрева турбокомпрессоры по-прежнему не любят. Может, автопроизводители применяют иные средства защиты турбокомпрессоров от перегрева?
Некоторые компании (в частности, Porsche, Volkswagen, Skoda, Jaguar) на многие модели с турбонаддувом устанавливают электрические циркуляционные насосы, которые при необходимости подают к турбокомпрессору охлаждающую жидкость. В том числе и после остановки двигателя — антифриз некоторое время циркулирует через агрегат, препятствуя его перегреву. Напоминает аналогичный режим работы электровентиляторов системы охлаждения, реализованный на большинстве современных автомобилей. Мотор выключен, а вентилятор продолжает крутиться. Понятно, что в этом случае в турботаймере нет необходимости.
Многие автопроизводители перекладывают функцию интеллектуального турботаймера на водителя! В большинстве инструкций отмечено, что после эксплуатации автомобиля в режимах, близких к предельно допустимым, рекомендуется перед выключением мотора дать ему поработать без нагрузки в течение нескольких минут. То есть советы остались теми же, что и десятилетия назад.
В прошлом году из 25 самых продаваемых в России моделей турбокомпрессорами были оснащены пять. При этом дополнительный электрический насос, охлаждающий турбокомпрессор, используют в трех моделях — это Skoda Kodiaq, Skoda Octavia A7 и VW Tiguan. Выходит, большинство производителей сравнительно доступных автомобилей не заморачивается подобными проблемами. Логика проста: удорожания не происходит, а гарантийный срок автомобиль, скорее всего, и так выходит. Что дальше — забота владельца.
