Устройство и неисправности турбокомпрессоров

Турбокомпрессор (турбина, улитка) – устройство, реализующее наддув двигателя для улучшения динамики автомобиля и уменьшения расхода топлива относительно мощности. На данный момент турбины являются самым распространенными и эффективными устройствами, с помощью которых удается реализовать турбонаддув. Ранее мы посвятили отдельный материал вопросам наддува двигателя. Теперь же мы предлагаем читателям подробнее ознакомиться с устройством турбин, их неисправностями, а также особенностями монтажа.

Основные элементы системы турбонаддува

Устройство системы турбонаддува, включающей в себя турбину, во многом схоже с системой, в которой используется нагнетатель. Однако их не стоит путать. В обоих случаях речь идет о довольно сложных системах, призванных повысить эффективность работы двигателя без ощутимого увеличения расхода топлива. Главное здесь – увеличить объем подаваемого воздуха, который идет на создание топливовоздушной смеси. Итак, в тандеме с турбиной работают следующие элементы, объединенные в единую систему:

• Воздухозаборник, оснащенный воздушным фильтром;
• Турбокомпрессор;
• Интеркулер, снижающий температуру воздуху;
• Турбина;
• Коллекторы впускные.

В наиболее современных агрегатах также имеются дополнительные клапаны, обеспечивающие цикличную подачу воздуха, а также поддержание оптимального давления за счет отвода излишков воздуха. В некоторых случаях турбонагнетатель оснащен аж двумя турбина. Напоминаем, что вне зависимости от количества турбин, в тандеме с ними должен работать интеркулер. Он охлаждает всасываемый воздух, тем самым повышая его плотность. В единице объема воздуха низкой плотности содержится меньше кислорода, чем в том же объеме охлажденного плотного воздуха.

Принцип работы

Первое, чем турбина отличается от механических нагнетателей-улиток – это привод. В случае турбины вращательное движение получается за счет преобразования энергии движения отработавших газов во вращательное движение. В очередной раз отметим, что нагнетаемый атмосферный воздух должен охлаждаться – температура в турбине достаточно высока, чтобы воздух успел прогреться. Сам процесс довольно легко описать:

1. Двигатель включается в работу – за счет сгорания топливовоздушной смеси образуются выхлопные газы;
2. Газы отводятся через выпускной коллектор и движутся по специальному трубопроводу;
3. Газы попадаются в горячую часть турбины и раскручивают крыльчатку;
4. За счет вращения крыльчатки начинает вращаться и вал, на котором закреплена крыльчатка компрессора в холодной части турбины;
5. Крыльчатка компрессора при вращении вызывает рост давления во впускном тракте;
6. Воздух, затягиваемый в холодную часть турбины, движется к камерам сгорания;
7. Воздух попадает в двигатель после охлаждения в интеркулере.

Как видите, все довольно просто. Важных моментов здесь несколько. Во-первых, поступление достаточного объема выхлопных газов не происходит мгновенно. С этим связан основной недостаток турбонагнетателей. Во-вторых, в системе должен быть реализован отвод газов, энергия которых была задействована для создания крутящего момента. В-третьих, вращающиеся элементы турбины должны быть хорошо отцентрованы. Это сказывается как на общей эффективности работы турбины, так и на ее эксплуатационном ресурсе. Но и это еще не все! Турбина должна обеспечиваться маслом и правильно охлаждаться. Давайте разберемся подробнее.

Сопутствующие системы

В процессе своей работы турбина непременно подвергнется термодинамическим нагрузкам. Т.н. горячая часть турбины, в которой энергия отработавших газов преобразуется в энергию вращательного движения, может нагреваться до температур в 800°С и выше. Важно учесть, что вал турбины может вращаться с частотой 200 тыс. об/мин. Если с обеспечением турбины маслом все более-менее понятно, то как быть с охлаждением? Здесь есть несколько вариантов:

• Охлаждение маслом;
• Охлаждение и маслом, и антифризом.

Разберемся с охлаждением маслом. Речь идет о том же масле, что используется в подшипниках. Это довольно простая система охлаждения турбины, которая, впрочем, крайне требовательно как к качеству масла, так и к соблюдению температурного режима эксплуатации самой турбины. Кроме того, масло охлаждает агрегат хуже, чем комплексная система масло + антифриз. Если не соблюдать температурный режим, масло начнет кипеть и коксоваться, тем самым забивая каналы для подвода смазочного материала.

Если турбокомпрессор охлаждается и маслом, и антифризом, он наверняка имеет более сложную конструкцию. При этом в нем практически не наблюдается коксование и закипание масла. Т.к. охлаждающих контуров в турбине два (контур охлаждающей жидкости и масляный контур), она стоит дороже той, в которой охлаждение исключительно масляное. Еще одной системой, работающей в тандеме с турбиной, является система охлаждения воздуха. Она представлена т.н. интеркулером, о котором мы писали в отдельном материале. Интеркулер является промежуточным охладителем воздуха. В нем воздух, нагретый внутри «улитки» турбины, охлаждается до поступления к двигателю. Более холодный воздух имеет большую плотность, а значит, в условной объеме такого воздуха больше кислорода, чем в том же объеме горячего воздуха.

Недостатки турбин и методы их решения

Как несложно догадаться, турбины должны иметь недостатки. Самым явным является усложненная, относительно большинства старых турбонагнетателей, конструкция. Последние имели не самый впечатляющий КПД, но зато отличались высокой надежностью. Большинство нагнетателей и вовсе не нуждались в обслуживании! Почитать о них вы можете в нашем материале, посвященном реализации наддува двигателя. Что до турбин, то они имеют и другие недостатки:

• Турбояма;
• Несоответствие расхода воздуха текущей нагрузке;
• Габариты (в случае специальных моделей и систем);
• Высокий расход масла;
• Требования к качеству топлива.

Можно видеть, что недостатков у турбин довольно много. Так почему же их устанавливают? Причин несколько, и вот лишь некоторые из них: улучшение динамики автомобиля, экологичности, мощности. На классических «автомобилях выходного дня» с атмосферным двигателем в турбине нет особо смысла. А вот регулярно эксплуатируемый автомобиль становится еще более привлекательным для водителя, если его двигатель малого объема имеет впечатляющую мощность и экологичность. Однако и проблему недостатка турбин хорошо было бы решить… И несколько решений действительно есть.

В погоне за разрешением проблемы возникновения турболага инженеры создали несколько интересных схем применения турбин. Именно турбин: их могло быть две. Например, системы твин-турбо и би-турбо. О таких решениях мы поговорим чуть позже, а пока давайте разберемся, что же такое турбояма и турболаг (не стоит путать эти два понятия).

Эффект турбоямы состоит в следующем: при движении авто на небольших оборотах и при резком нажатии на педаль газа турбина не сразу реагирует на манипуляции водителя. И действительно – топливо должно смешаться с воздухом, сгореть, а затем отработавшие газы должны поступить к турбине. Турболаг несколько отличается от турбоямы. Если первый эффект обусловлен работой мотора и объемом турбины, то второй эффект может быть обусловлен, например, размером и эффективностью интеркулера и диаметром пайпинга. И вот, когда мы разобрались с основными недостатками турбокомпрессоров, давайте посмотрим, какие же решения предлагают инженеры автоконцернов. И здесь есть на что посмотреть:

• Твин-турбо (twin-turbo);
• Би-Турбо (biturbo);
• Изменяемая геометрия сопла, а также угла наклона крыльчатки в системах VGT;
• Твин-скрол (twin-scroll).

Система твин-турбо изначально не была призвана решить проблему турбоямы, так как ее устанавливают на автомобили с особенно мощными двигателями. В твин-турбо используются сразу две одинаковые турбины, значительно повышающие объем или же давление воздуха, который будет поступать к двигателю. Это гарантирует, что мощность последнего будет близка к максимально возможной. Если же турбин две, но их объем мал, то система позволяет добиться прироста мощности на малых оборотах и частично или полностью решить проблему турбоямы.

В отличие от предыдущей системы, в би-турбо применяется пара разных турбин с последовательным соединением. Турбина малого объема работает на малых оборотах, а вот турбина большого объема включается в работу при высоких оборотах двигателя. Это также позволяет решить проблему возникновения турбоямы, а также уменьшить число лагов двигателя при изменении оборотов.

Турбины с изменяемой геометрией, которые просто называют VGT, полностью соответствуют своему названию. Угол наклона лопаток крыльчатки в таких турбинах может меняться в зависимости от того, какова нагрузка на турбокомпрессор. Также может меняться и сечение трубы, через которую проходят выхлопные газы. Это призвано «разогнать» отработавшие газы, а также более эффективно использовать их энергию. Как правило, системы VGT применяют на турбированных дизелях. Это обусловлено меньшими тепловыми нагрузками в турбинах, а также их способность уменьшать скорость вращения ротора.

Твин-скрол, или же двойная улитка – это еще одна система, которая соответствует своему названию. Суть в том, что контур движения газов в таких турбинах двойной. Они могут идти как сразу по обоим контурам (легко провести аналогию с твин-турбо), так и разделяться на два потока (напоминает би-турбо). Геометрия контуров, как вы уже догадались, различна. Регулируется системы посредством клапанов.

Основные неисправности турбокомпрессоров

В основе наиболее распространенных неисправностей турбокомпрессоров лежат следующие причины:

1. Попадание посторонних предметов внутрь турбины;
2. Загрязнение, перепробег моторного масла;
3. Низкий уровень масла в системе;
4. Эксплуатации агрегата в экстремальных условиях;
5. Неправильный монтаж турбины с использованием герметика.

Возможны варианты поломки турбокомпрессора: снижение герметичности, повреждение вала, подшипников, истирание уплотнителя, нарушение целостности лопастей, заклинивание агрегата.

Выбор турбины

От правильности выбора турбины будет зависеть то, насколько увеличится мощность двигателя и потенциально уменьшится расход топлива. Разумеется, если в штатную комплектацию вашего автомобиля входит турбина, ее можно заменить аналогичным агрегатом. Искать его можно по VIN-коду, коду самого агрегата или же параметрам автомобиля. Но как быть, если транспортное средство изначально не предусматривало наличие турбины? Давайте разберемся с тем, на что стоит обращать внимание при выборе агрегата:

1. Размер и объем. Для двигателей объемом 2 и более литра подойдут большие турбины. Для всех остальных – малые шарикоподшипниковые турбокомпрессоры. Если объем двигателя превышает 3 литра, стоит устанавливать пару турбин;
2. Давление. Здесь все просто: давление в коллекторе не должно превысить давление наддува в 2,5 раза и больше;
3. Клапаны. В большинстве турбин установлены внутренние клапаны – этого вполне достаточно;
4. Жаропрочность. Она различна для турбин к дизельному или бензиновому мотору. Этот момент достаточно уточнить у продавца.

Заметьте, что если в ваших планах установка максимально эффективной турбине конкретно для вашего двигателя, то обязательными являются расчеты и сопоставление нескольких параметров турбины. Среди них: коэффициент полезного действия колеса компрессора, расход воздуха, расход воздуха, степень сжатия, отношение A/R (площадей сечения к радиусу), относительная плотность (важна для подбора интеркулера). А вот если вы рассчитываете просто на повышение эффективности работы двигателя, то можно заранее изучить параметры турбин, а затем обратиться за помощью к продавцу.

Экскурс по производителям

Важным моментом в выборе турбины является также выбор производителя. Так, например, сегодня на рынке автомобильных агрегатов все чаще можно видеть турбины от китайских «нонейм» производителей. Особенно часто встречаются китайские электротурбины, которые заслуживают отдельного материала. Если автолюбитель хочет установить на свой автомобиль качественный агрегат, то ему стоит обращать внимание на продукцию шести известных производителей:

• IHI (Япония);
• Holset (США);
• BorgWarner (США);
• Schwitzer (Германия);
• Harima Heavy Industries (Япония);
• Garett (США).

Пожалуй, наиболее качественными являются именно американские турбины. Вместе они и самые популярные. Турбированные двигатели большинства автомобилей европейских марок оснащены турбинами американских фирм. Впрочем, последние размещают производства и за пределами своей родной страны. Практика успела показать, что особой разницы между турбинами “Made in USA” и “Made in China” нет. Где действительно видна разница в качестве, так это в ремкомплектах. Интересный момент: далеко не все производители турбин выпускают ремонтные комплекты. В свою очередь, их выпускают все те же “нонейм” производители. При выборе ремкомплектов автолюбителям стоит быть особенно внимательными и изучать отзывы покупателей.

Вывод

Турбокомпрессор – довольно сложный агрегат, призванный повысить эффективность двигателя внутреннего сгорания без увеличения его объема и расхода топлива. Благодаря турбинам современные авто стали более экологичными, чем их предшественники с классическими атмосферными двигателями. Несмотря на недостатки турбин, их применению есть множество оправданием. Большинство автолюбителей, владеющих транспортом с турбированным двигателем, хотя бы раз сталкивались с необходимостью обслуживания и ремонта этого агрегата. Мы рекомендуем следить за состоянием масла и фильтров, чтобы отдалить тот момент, когда турбину придется разбирать. Если поломка уже случилась, за помощью стоит обращаться только к проверенным специалистам.