Описание и принцип работы турбонаддува двигателя

Описание и принцип работы турбонаддува двигателя

Среди всех возможных вариантов наддува двигателя внутреннего сгорания наибольшее распространение получил турбонаддув, в котором воздух подается в цилиндры при помощи специального устройства – турбокомпрессора (турбины). Вращение турбины осуществляют отработавшие газы, что позволяет существенно увеличить мощность двигателя без увеличения частоты оборотов последнего. Помимо этого, турбонаддув позволяет получать большие значения крутящего момента при небольшом расходе топлива. В сравнении с классическими конструкциями при аналогичной мощности турбированный двигатель имеет более компактные габаритные размеры.

1. Устройство системы турбонаддува
2. Принцип работы турбонаддува
3. Особенности эксплуатации турбированных двигателей
4. Виды систем турбонаддува
5. Что такое турботаймер и для чего он необходим
6. Достоинства и недостатки системы турбонаддува

Так ли страшна турбина? Как правильно ездить с турбомотором и сколько может стоить ремонт

В нашей прошлой публикации мы уже сравнивали турбированный и атмосферный моторы, пытаясь понять, в чем их отличие и какой из них лучше выбрать. Допустим, что вы уже приобрели машину с наддувным двигателем или вот-вот собираетесь ее купить.

Как устроена турбина?

В общем-то, турбокомпрессор устроен просто. Главная деталь — это картридж. Внутри него размещается вал, а с двух противоположных концов к этому валу прикреплены турбинные колеса. Для того чтобы вал нормально вращался и не грелся, к нему под давлением подается моторное масло. Также к картриджу идет и трубка с антифризом для дополнительного охлаждения.

По бокам к корпусу картриджа прикреплены две “улитки” — горячая и холодная, внутри которых вращаются турбинные колеса. В горячую поступают выхлопные газы, раскручивают колесо, а затем “улетают” в выхлопную трубу через боковое отверстие улитки. Турбоколесо в холодной улитке всасывает чистый атмосферный воздух из впускного тракта и гонит его под сильным давлением дальше во впускной тракт к цилиндрам мотора.

Такова общая схема турбины, и мы не будем сейчас вдаваться в тонкости конструкции и различные варианты компоновки. Впрочем, стоит упомянуть новое поколение турбин, где масло подается под более низким давлением, а вал вращается в очень дорогих и сверхпрочных шариковых подшипниках.

Будет ли турбина “есть” масло?

Как мы уже говорили, без масла турбина работать не может. Обычно для герметизации вращающихся валов используют резиновые сальники (как в двигателе и коробке передач), но никакие сальники не смогут выдержать режимы работы турбины. Рабочая температура в ней достигает тысячи градусов, а частота вращения валов — сотен тысяч оборотов в минуту. Это намного более суровые условия, чем в моторе.

Валы и втулки в турбине подогнаны друг к другу с очень высокой точностью, и за счет этого масло не должно сочиться сквозь них, если турбина исправна. Но как только зазоры увеличиваются, масло через “холодную” часть турбины засасывает во впускной коллектор двигателя вместе с нагнетаемым воздухом. В таких случаях говорят, что “турбина гонит масло”.

Из-за чего это происходит?

• Естественный износ рабочих поверхностей валов и втулок.
• Пониженное давление масла в двигателе: турбине не хватает смазки, и она сильнее изнашивается.
• Повышенное давление масла в двигателе: масло попросту выдавливает через щели между втулками и валами.
• Повышенное разрежение во впускном коллекторе — масло из турбины туда засасывает. В результате двигатели, где зазоры в цилиндрах близки к идеальным, угар масла из-за неисправной турбины может достигать нескольких литров на сотню километров. Вот этого-то и боятся сторонники безнаддувных моторов.

Каков ресурс турбины?

Здесь все очень индивидуально и зависит от стиля езды. В среднем на бензиновых двигателях ресурс турбины составляет 150 тысяч километров. На дизельных двигателях — 250 тысяч километров. Однако если ездить быстро, перекручивая двигатель и турбину, то ресурс может сократиться и до 100, и до 60 тысяч.

Как понять, что турбина просится в ремонт?

Главный признак скорой кончины турбины — синеватый дым из выхлопной трубы. Его появление означает, что в цилиндрах вместе с топливовоздушной смесью сгорает масло. Весьма вероятно, что во впуск это масло попало именно через турбину. Чтобы провести диагностику, не нужно обладать дипломом автослесаря. Достаточно иметь книжку по устройству автомобиля, где нарисовано расположение узлов под капотом, и немного свободного времени.

• Найдите впускной патрубок, по которому воздух попадает в турбину и открутите его. Засуньте руку в “улитку” турбины и нащупайте вал, на котором закреплена крыльчатка. Покачайте его, и если есть люфт, то через щели наверняка сочится масло.
• Найдите интеркулер и загляните внутрь. Если внутри есть масло, то турбина его “гонит”. Чем больше масла, тем выше износ.

Еще иногда на приборной доске турбированных автомобилей есть указатели температуры и давления турбины. Соответственно температура не должна быть повышенной, а давление — пониженным.

Все эти советы обязательно нужно учесть, если вы покупаете турбированную машину с пробегом. Турбина — вещь дорогостоящая, и ее дефект может обернуться для вас, как для будущего владельца, крупными затратами.

Сколько стоит ремонт турбины и что в ней ремонтируется?

Когда турбина выходит из строя, можно пойти тремя путями.

Поменять турбину целиком. Чаще всего это совершенно лишняя затея, потому как масло гонит картридж, а корпуса-“улитки” остаются целыми и менять их не нужно. Замену турбины в сборе любят предлагать официальные дилеры и мультибрендовые сервисы, мастера на которых плохо разбираются в турбинах и ставят задачу получить с клиента максимум денег.

Почем? Cнятие, отсоединение трубок подачи масла и антифриза и установка турбины обратно стоит около 4 000 – 5 000 рублей.

Поменять картридж турбины. Под замену идет исключительно сам рабочий элемент турбокомпрессора — корпус с валом и крыльчатками. Поменять готовый картридж может даже мастер, который не специализируется на турбинах. Задача состоит в том, чтобы открутить несколько гаек крепежа, а потом закрутить их обратно.

Почем? Стоимость картриджа с заменой — около 15 000 – 20 000 рублей.

Отремонтировать картридж. Такая работа под силу исключительно мастерам специализированных автосервисов. Турбину разбирают полностью, моют ультразвуком, выявляют изношенные элементы и меняют их. Корпус картриджа растачивают на токарном станке, а затем всю конструкцию балансируют в два этапа, чтобы на скорости до 150 – 200 тысяч оборотов в минуту не было вибрации. Затем еще в картридж закачивают под давлением масло, чтобы проверить на герметичность.

Почем? Цена ремонта турбины зависит от массы факторов и колеблется от 7 000 до 25 000 рублей. Важно понимать, что если мастера называют серьезную сумму, то зачастую проще купить новую турбину.

Расценки на новые и восстановленные турбины разных производителей

Стоимость новой, руб.

Стоимость восстановленной, руб.

Стоимость аналогов, руб.

Volkswagen Passat (1998-2005), Audi A4 (1999-2008), Audi A6 (1998-2005)

Mits u bishi TD04

Volkswagen Crafter, Saab 9-5, Subaru Forester

дизельные Ford Mondeo (2007-2014), Ford S-Max (2007-2014)

Обратите внимание: автомобильные концерны практически никогда не разрабатывают турбины самостоятельно и чаще всего прибегают к помощи компаний, которые на этом специализируются (например, KKK, Borg Warner или Garrett). При этом та же турбина Garrett 760774-5003S под брендом Ford будет стоить в полтора-два раза дороже, чем под собственным именем. Мораль такова: прежде чем платить огромные деньги за “оригинальные” запчасти, узнайте, кто их поставляет производителю и заказывайте у них.

Как нужно ездить, чтобы продлить жизнь турбине?

Понятное дело, что чем активнее ездить, тем быстрее турбина придет в негодность. Но, помимо этой очевидной зависимости, есть еще несколько полезных советов.

• Нужно охлаждать турбину. Чем активнее вы топтали педаль газа и “отжигали”, тем дольше ее нужно охлаждать. Открывать капот и обмахивать “улитку” газеткой не нужно. Просто постойте пару минут на холостом ходу — масло будет циркулировать в моторе и турбине и заберет избыточное тепло. Вообще возьмите за правило перед парковкой ехать поспокойнее.
• После долгого стояния в пробке не ускоряйтесь резко. Понятное дело, что вам хочется на свободу после заточения в заторе, но помните: пока вы стояли без движения, двигатель, турбина и интеркулер нагрелись, и если их сильно раскрутить, то нагрев будет чрезмерным или даже критическим.
• Следите за температурой масла и антифриза и почаще их меняйте. Грязное масло и антифриз, который плохо отводит тепло, ускорят износ турбины.
• Своевременно обслуживать двигатель. Здесь для каждой модели рекомендации будут индивидуальными. На современных фольксвагеновских моторах 1.4 TSI нужно следить за чистотой интеркулера, который быстро загрязняется, так как находится прямо во впускном коллекторе. На старых продольно расположенных 1.8 TSI требует регулярной очистки трубка подачи масла…

У каждого мотора есть свои нюансы. Если хотите максимально обезопасить себя от преждевременной смерти турбины, узнайте эти тонкости у специалистов. При покупке новой машины помогут мастера дилерского центра, а если берете подержанную, то обратитесь на специализированную СТО, которая занимается конкретно этой маркой. Также весьма полезным будет поговорить с мастерами автосервиса, ремонтирующими турбины.

Турбонаддув: принцип работы

Задача турбины – нагнетать воздух в цилиндры, что осуществляется при помощи компрессора. Благодаря этому, смесь из топлива и воздуха насыщается кислородом, что приводит к увеличению КПД и улучшению сгораемости топлива. Таким образом, движок начинает работать эффективнее при прежнем объеме.

Чтобы понять принцип работы турбины на двигателе, сначала стоит разобраться с тем, как именно работает обычный двигатель. Его функционирование обеспечивается четырьмя последовательными тактами:

1. Впуск – движение поршня обеспечивает попадание в камеру сгорания топливно-воздушной смеси.
2. Компрессия – горючая смесь сжимается.
3. Расширение – выработанная свечами искра приводит к возгоранию смеси.
4. Выпуск – поршень перемещается вверх, освобождаются и выводятся выхлопные газы.

Чтобы повысить эффективность работы мотора, идти можно по одному из трех путей:

1. установить турбонаддув;
2. увеличить объем двигателя;
3. повысить количество оборотов коленвала.

Увеличение объема, безусловно, приведет к повышению эффективности, но это неизбежно повлечет за собой повышенный расход горючего. Повышение оборотов коленчатого вала не всегда возможно по техническим причинам, к тому же, не избежать снижения эффективности из-за потерь энергии во время каждого из тактов.

Как работает турбонаддув? Он нагнетает в цилиндр предварительно сжатый воздух, вследствие чего количество поступаемого воздуха повышается, а мощность силового агрегата растет без увеличения его объема.

Когда бензиновый двигатель запускается, газы поступают в турбину, приводя с помощью своей энергии в движение ротор, раскручивающий колесо компрессора, захватывающее воздух, подаваемый в цилиндры. Компрессор увеличивает давление воздуха примерно на 80%.

Турбина на бензиновом двигателе позволяет повысить мощность примерно на 30%.

Преимущества и недостатки

Вообще говоря, турбины начали устанавливаться на двигателе достаточно давно. Когда на рынке стали появляться их первые модификации, принцип работы такого устройства был достаточно примитивен и понятен большинству людей, пусть даже и не профессиональных мастеров и ремонтников.

К сожалению, первые модели обладали большим числом недостатков. Расскажем об основных из них, которые можно было встретить на всех без исключения моделях турбин. Первый минус — это невысокий ресурс всех составных деталей. Действительно, ресурс был небольшим, и обуславливался он технологией работы, которая оказалась достаточно примитивной. Чаще всего из строя выходит подшипник, который, хоть и обильно обработан смазкой, не может подвергаться какому-либо осмотру и обслуживанию: турбина встраивается в корпус двигателя.

Вторая проблема — это возникновение провала при разгонах. Дело в том, что принцип работы устройства заключается в нагнетании большого давления воздуха в рабочие цилиндры мотора. Чтобы давление дошло до необходимого уровня, нужно определенное время: без применения специальной дорогостоящей электроники действия водителя предсказать достаточно проблематично. Поэтому при резком нажатии на газ происходит не разгон, а лишь нагнетание давления. В связи с этим водителю приходится выжидать по нескольку секунд, что, безусловно, является недостатком.

Правда, несмотря на примитивный и не самый удачный принцип работы, такое устройство, как турбина, широко устанавливалось на двигателе с момента своего изобретения. Это связано с тем, что плюсов, которые дает этот узел, куда больше, чем потенциальных недостатков. К явным преимуществам можно отнести, к примеру, то, что у мотора при равном объеме и конструкции мощность возрастает практически в два раза. При этом расход топлива остается на прежнем уровне, и машина становится даже несколько экономичнее.

Кроме того, ресурс самого двигателя значительно увеличивается. Это связано с тем, что турбина облегчает задачу двигателю и придает ему дополнительные силы. За счет этого механизмы подвергаются меньшему износу, и их срок службы возрастает в несколько раз.

Признаки того, что турбина «умирает»

Выход турбины из строя во многих случаях происходит очень быстро, причин тому несколько: это может быть, как уже упоминалось, недостаток масла, попадание твердыми частицами по колесу компрессора и по колесу ротора турбины, также к поломке может привести ДТП. Однако чаще турбонагнетатель приходит в негодность постепенно, и у автовладельца есть время обратить внимание и принять необходимые меры по устранению причин поломки либо обратиться к специалистам.

Выделяется несколько наиболее распространенных признаков выхода из строя турбины. К ним относятся следующие:

• наличие посторонних шумов со стороны турбины во время работы силовой установки (свист либо гул);
• появление сизого дыма из выхлопной системы;
• резко увеличивается расход масла;
• падает давление наддува.

Для определения поломок на ранних стадиях, достаточно внимательно слушать свой автомобиль. Например, у машины упала мощность или она утратила динамику, это говорит о том, что турбина не создает достаточного давления.

Иногда причиной тому служит повышенное противодавление из-за сильного загрязнения катализатора. Также к этому могут привести и неисправности электромагнитного клапана (управляющего вакуумом турбины), что тоже влечет понижение мощности двигателя.

Если же эти элементы работают исправно, тогда стоит проверить перепускную заслонку или изменяемую геометрию. Часто при агрессивном стиле езды поток отработанных газов идет мимо клапана, либо поврежденная изменяемая геометрия, цепляет корпус турбокомпрессора и не направляет воздух на колесо турбины. В таком случае коэффициент полезного действия турбины сильно падает. Если таким образом выявить причину поломки не удалось, тогда потребуется демонтаж турбокомпрессора с силовой установки.

На скорый выход из строя турбину и возможный признак дефекта может также указать дым из выхлопной системы.

Преимущества турбонаддува

«Дармовая» дополнительная мощность. Существует расхожее мнение: наличие добавочной турбины на выхлопном коллекторе мотора порождает добавочную энергию, которая должна вращать точно такую же турбину на впуске, в результате чего выхлопные газы становятся бесплатным источником энергии для нагнетателя.

Однако эта концепция весьма спорная, потому что существует так называемое сопротивление выпуска. Автомобильные конструкторы многие десятилетия добивались снижения этого сопротивления, потому что именно в этом случае повысится мощность двигателя.

Для этого в систему монтируется специальное генерирующее устройство, которое значительно снижает выходное сопротивление. Поэтому было бы неправильным считать работу турбонаддува на дармовой энергии. «Дешевая придаточная энергия» — это будет звучать более точно.

В техническом отношении этот процесс не представляет ничего сложного. Нагнетатель представляет собой устройство, состоящее из двух колес – компрессорного и турбинного. Турбинное колесо захватывает выхлопные газы, приводящие его в движение. В результате начинает вращаться и компрессорное колесо, которое и служит для сжатия воздуха.

Компрессор в обязательном порядке контактирует с системой охлаждения, потому что в процессе действия его температура поднимается довольно высоко. Сила наддува регулируется с помощью перепускного клапана. В случае необходимости он может переводить часть выхлопа мимо турбины, чтобы понизить внутрисистемное давление.

Повышение мощности двигателя без увеличения его объема и массы. Технология турбонаддува позволяет повышать мощность двигателя без увеличения объема цилиндров и их количества. В результате легкие и небольшие по размеру моторы приобретают отличные характеристики, и, кроме этого, сокращается общая масса автомобиля, уменьшаются тормозной путь и время разгона.

Экономичность. Расход топлива у двигателей, оснащенных системой турбонаддува, в разы меньше, нежели расход топлива у мотора такой же мощности с простым атмосферным нагнетанием воздуха. Это объясняется тем, что в цилиндрах с турбонаддувом на один ход поршня тратится намного меньше топлива за счет полного его сгорания. То есть, бедная смесь компенсируется дополнительным напором воздуха, и в результате мощность увеличивается.

Как работает турбина

Турбина состоит из двух частей:

1. Холодная – всасывает и раскручивает впускной воздух,
2. Горячая – раскручивается воздух посредством движения выхлопных газов.

В турбине установлен картридж с лопастями, которые от движения воздуха раскручиваются вплоть до 150 000 оборотов в минуту, создавая давление. Вращаются лопасти на подшипниках, а за смазывание и охлаждение отвечает подача масла с двигателя.

Так как при резком повышении давления воздух сильно нагревается, был изобретен интеркуллер, охлаждающий воздух до нужной температуры.

Во впускной магистрали установлен клапан, отвечающий за сброс избыточного давления впускного воздуха (Blow off), а также вестгейт, ограничивающий количество отработанных газов, попадающих в турбину, что позволяет избежать резкого роста повышения оборотов крыльчатки (простыми словами-ограничитель).

Работа турбины крайне проста: в горячую часть турбины попадают отработанные газы и раскручивают крыльчатку. В холодной части раскрученная крыльчатка всасывает большое количество воздуха, который проходит через интеркулер, и в охлажденном состоянии попадает в цилиндры. После того, как отработанные газы раскрутили турбину, они идут далее по выпускной магистрали.

Как работает турбина на бензиновом двигателе?

Турбина бензинового мотора за счёт использования компрессора принудительно нагнетает в цилиндры массу воздуха. Значительно повышается обогащение кислородом топливно-воздушной смеси и улучшается сгораемость бензина. Коэффициент полезного действия существенно возрастает. Эффективность работы мотора увеличивается при неизменно объёме.

Мощность двигателя при использовании турбины возрастает прямо пропорционально количеству сжигаемого за единицу времени бензина. Для обеспечения максимального быстрого сгорания топлива в цилиндрах мотора необходим значительный объём воздуха. Именно его в достаточном количестве направляет турбина за счёт работы компрессора. Он принудительно подаётся в цилиндры, обогащая топливно-воздушную смесь.

Если разрезать турбину бензинового мотора вдоль корпуса можно увидеть следующее рабочие элементы:

Корпус подшипников.

Служит для размещения ротора, представленного валом несущим на себе турбинные и компрессорные кольца, оборудованные лопастями. Именно они при вращении захватывают воздуха и направляют его в цилиндры мотора.

Масляные каналы.

Пронизывают корпус турбины словно кровеносные сосуды на теле человека. Служат для своевременной доставки моторного масла к трущимся и вращающимся элементам. Снижают тем самым износ рабочих элементов бензиновой турбины.

Подшипник скольжения.

Его главная задача обеспечить свободное и плавное вращение ротора турбины с его лопастями для захвата достаточного количества воздуха. Его смазку и охлаждение обеспечивает циркулирующее в турбине моторное масло.

Корпус.

Корпус турбины, имеющий форму улитки обеспечивают защиты от внешних механических воздействий рабочие элементы устройства для нагнетания воздуха.

Привод турбины бензинового мотора осуществляется за счёт подачи отработанного газа энергия которого заставляет ротор вращать лопасти. Сложного в конструкции и работе ничего нет всё понятно и достаточно просто.

При запуске бензинового мотора отработанные газы и цилиндров мотора направляются прямиком в турбину. Они приводят в движение ротор, отдавая ему свою энергию. Далее, через приёмную трубу они поступают в глушитель и выводятся в окружающую среду.

Вал ротора раскручивает колесо компрессора и лопаточное колесо. Они захватывают воздух из окружающей среды, поступающий через воздушный фильтр мотора. Он принудительно подаётся в цилиндры двигателя. Компрессор турбины может повышать давление воздуха до 80%.

Работа турбины бензинового мотора позволяет обогащённую кислородом топливно-воздушную смесь наполнять цилиндры в большом количестве. Объём мотора остаётся неизменным, но его мощность существенно возрастает. В среднем использование турбины даёт возможность увеличить мощность силовой установки машины на 20-30%.

Холодный старт

Перед активными поездками в морозы турбонаддув необходимо обязательно прогреть. Если холодный мотор раскрутить до 2,5-3 тысяч оборотов, то турбина начнет сильно разогреваться, отчего могут начаться температурные деформации металлических элементов. В общем, перед тем как поднажать на педаль газа, мотор надо довести до рабочей температуры. Это значит, что в морозы первые 10-15 минут после начала поездки лихачить противопоказано.

Сейчас ресурс двигателя в 400 тыс. км считается огромным достижением. Турбокомпрессоры редко ходят больше 150 тыс. км, и чтобы не дать им разрушиться раньше времени, лучше соблюдать правила эксплуатации.