Как выбрать и установить турбонаддув на автомобиль своими руками

Содержание:

Принцип действия турбонаддува
- Как работает турбонаддув в машине
Турбонаддув TDI: турбина с изменяемой геометрией
Принцип действия наддува дизельного силового агрегата
Конструкция и принцип работы турбины
И дизель и бензин
Неисправности и ремонт турбокомпрессоров
Устройство системы турбонаддува
Особенности и преимущества двигателя TDI
Что такое турбонаддув?
Фирменный двигатель Ауди Фольксваген 1,4 TSI Twincharger
Особенности эксплуатации турбированных двигателей
- Виды систем турбонаддува
- Что такое турботаймер и для чего он необходим
Как работает турбонаддув в машине
Для чего нужна автомобильная турбина

Принцип действия турбонаддува

Система турбонаддува использует энергию газов, которые образуются при сгорании топлива. Газы обеспечивают вращательные движения колеса турбинного типа, которое в свою очередь запускает компрессорное колесо, отвечающее за сжатие и нагнетание воздушной массы в систему. Далее происходит охлаждение воздуха при помощи интеркулера и подача его в цилиндры.

Очевидно, что хотя турбонаддув механически никак не связан с коленвалом двигателя, однако его работа и ее эффективность находится в прямой зависимости от скорости вращения коленчатого вала. Чем выше обороты двигателя, тем эффективнее работает турбонаддув.

Несмотря на свою практичность и эффективность, система турбонаддува имеет некоторые недостатки. Ключевым из них является появление турбоям – задержка в увеличении мощности ДВС.

Подобное явление проявляется вследствие инерционности системы – задержки в увеличении давления наддува при достаточно резком нажатии на газ, что может привести к разрыву между требуемой мощностью двигателя и производительностью турбины.

Как работает турбонаддув в машине

Энергия отработанных выхлопных газов в двигателе направляется на турбинное колесо нагнетателя, которое под воздействием газов вращается в своем корпусе, имеющем особую форму для улучшения кинематики прохождения выхлопных газов.

Температура здесь весьма высока, а потому корпус и сам ротор турбины вместе с ее крыльчаткой выполняются из жаропрочных сплавов, способных выдерживать длительное высокотемпературное воздействие. Также в последнее время для этих целей используются керамические композиты.

Компрессорное колесо, вращаемое за счет энергии турбины, осуществляет всасывание воздуха, его сжатие и последующее нагнетание в цилиндры силового агрегата. При этом вращение компрессорного колеса также производится в отдельной камере, куда попадает воздух после прохождения через воздухозаборник и фильтр.

Как турбинное, так и компрессорные колеса, как уже говорилось выше, жестко закрепляются на роторном валу. При этом вращение вала производится с помощью подшипников скольжения, которые смазываются моторным маслом из основной системы смазки двигателя.

Подача масла к подшипникам производится по каналам, которые располагаются непосредственно в корпусе каждого подшипника. Для того, чтобы герметизировать вал от попадания масла внутрь системы, используются специальные уплотнительные кольца из жаростойкой резины.

Безусловно, основной конструктивной сложностью для инженеров при проектировании турбонагнетателей является организация их эффективного охлаждения. Для этого в некоторых бензиновых моторах, где тепловые нагрузки наиболее высоки, нередко применяется жидкостной охлаждение нагнетателя. При этом корпус, в котором расположены подшипники, включается в двухконтурную систему охлаждения всего силового агрегата.

Еще одним важным элементом системы турбонаддува является интеркулер. Его предназначением выступает охлаждение поступающего воздуха. Наверняка многие из читателей этого материала зададутся вопросом о том, зачем охлаждать «забортный» воздух, если его температура и так невелика?

Ответ кроется в физике газов. Охлажденный воздух увеличивает свою плотность и, как результат, возрастает его давление. При этом конструктивно интеркулер представляет собой воздушный либо жидкостный радиатор. Проходя через него, воздух снижает температуру и увеличивает свою плотность.

Привод клапана может быть пневматическим или электрическим, а его срабатывание осуществляется за счет сигналов, получаемых от датчика давления наддува, которые обрабатываются блоком управления двигателем автомобиля. Именно электронный блок управления (ЭБУ) подает сигналы на открытие или закрытие клапана в зависимости от данных, получаемых датчиком давления.

Помимо клапана, регулирующего давление наддува, в воздушном тракте непосредственно после компрессора (где давление максимально) может монтироваться предохранительный клапан. Целью его использования является защита системы от скачков давления воздуха, которые могут быть в случае резкого перекрытия дроссельной заслонки двигателя.

Избыточное давление, возникающее в системе, стравливается в атмосферу с помощью так называемого блуофф-клапана, либо направляется на вход в компрессор клапаном типа bypass.

Турбонаддув TDI: турбина с изменяемой геометрией

Цепи противоскольжения на автомобиль своими руками: готовимся к зимнему сезону заранее

От эффективности работы турбоанддува TDI в значительной мере зависит не только динамика, но и экономичность наряду с экологичностью. Правильное наддува воздуха должно быть реализовано в максимально широком диапазоне. По этой причине на моторы TDI ставится турбокомпрессор с изменяемой геометрией турбины.

Ведущие производители турбин в мире используют следующие названия:

Турбина VGT (от англ. Variable Geometry Turbocharger, что означает турбокомпрессор с изменяемой геометрией). Производится BorgWarner.
Турбокомпрессор для дизеля VNT (от англ. Variable Nozzle Turbine, что означает турбина с переменным соплом). Это название использует фирма Garrett.

Турбонагнетатель с изменяемой геометрией отличается от обычной турбины тем, что имеет возможность регулировки как направления, так и величины потока отработавших газов. Данная особенность позволяет добиться наиболее подходящей частоты вращения турбины применительно к конкретному режиму работы ДВС. Производительность компрессора в этом случае сильно повышается.

Например, турбина VNT имеет в основе конструкции специальные направляющие лопатки. Дополнительно имеется механизм управления, а также отмечено наличие вакуумного привода. Указанные лопатки турбины производят поворот на необходимый угол вокруг свой оси, тем самым способны менять скорость и направление потока выхлопа. Это происходит благодаря изменению величины сечения канала.

Механизм управления отвечает за поворот лопаток. Конструктивно механизм имеет кольцо и рычаг. На рычаг оказывает воздействие вакуумный привод, который управляет работой механизма посредством специальной тяги. Вакуумный привод управляется отдельным клапаном, который ограничивает давление наддува. Клапан является составным элементом электронной системы управления ДВС и срабатывает зависимо от показателей величины давления наддува. Эта величина измеряется отдельными датчиками:

температурный датчик, который измеряет температуру воздуха на впуске;
датчик давления наддува;

Другими словами, турбонаддув на TDI работает так, чтобы давление наддувочного воздуха всегда было оптимальным на разных оборотах двигателя. Фактически, турбина дозирует энергию потока отработавших газов.

Как известно, на низких оборотах двигателя скорость потока (энергия) выхлопа является достаточно низкой. В таком режиме направляющие лопатки обычно закрыты, чем достигается минимальное сечение в канале. В результате прохождения через такой канал даже небольшое количество газов более эффективно крутит турбину, заставляя компрессорное колесо вращаться заметно быстрее. Получается, турбокомпрессор обеспечивает большую производительность на низких оборотах.
Если водитель резко нажимает на газ, тогда у обычной турбины возникает эффект так называемой «турбоямы». Под турбоямой следует понимать задержку отклика на нажатие педали газа, то есть не моментальный прирост мощности, а подхват после небольшой паузы. Такая особенность обусловлена инерционностью системы турбонаддува, в результате чего потока газов оказывается недостаточно в момент резкого увеличения оборотов коленвала. В турбинах с изменяемой геометрией направляющие лопатки осуществляют свой поворот с определенной задержкой, что позволяет поддерживать нужное давление наддува и практически избавиться от турбоямы.
При езде на высоких и приближенных к максимальным оборотах двигателя отработавшие газы имеют максимум энергии. Чтобы предотвратить создание избыточного давления наддува лопатки в турбинах с изменяемой геометрией поворачиваются так, чтобы мощный поток газов двигался по широкому каналу с наибольшим поперечным сечением.

Относительно малый ресурс турбокомпрессора связан с тем, что на TDI ставятся исключительно турбины с изменяемой геометрией. Турбокомпрессор во время работы двигателя раскручивается до 200 тыс. об/мин и постоянно взаимодействует с потоком разогретых до 1000 градусов по Цельсию выхлопных газов. Такие температурные и механические нагрузки, а также индивидуальные особенности конструкции указанных турбин сравнительно быстро приводят к необходимости ремонта или замены турбокомпрессора.

Принцип действия наддува дизельного силового агрегата

Лебедка своими руками из стартера: чертежи. как сделать лебедку своими руками?

Как же работает турбонаддув, установленный на дизельные двигатели? Стоит немного обратиться к теории — мощность любого ДВС зависит от разных факторов:

объем цилиндров;
объем топливно-воздушной смеси;
энергетичность горючего.

Мощность растет пропорционально увеличению сжигаемой рабочей смеси за единицу времени при росте подачи воздуха. Только усилиями самого мотора это сделать невозможно, поскольку требуется организации принудительной его подачи в цилиндры.

С этим как раз хорошо справляется система турбонаддува. В цилиндры постоянно нагнетается сжатый воздух. Это происходит следующим образом. Отработанные газы до того как попасть в выхлопную трубу изначально устремляются в корпус турбины, где заставляют вращаться колесо, а турбокомпрессор подает уже сжатый воздух.

Само колесо турбины может раскручиваться до 100-150 тысяч оборотов за одну минуту. При этом лопасти обоих колес (турбины и компрессора) закреплены на едином валу. То есть турбонаддув, в силу конструктивных особенностей, подает в камеры сгорания гораздо больше воздуха, соответственно подача топлива растет.

Упрощенный вид принципа работы турбонаддува — в устройстве турбосистемы две крыльчатки, закрепленные на общем валу, но они находятся в отдельно расположенных герметичных камерах относительно друг друга. Одна из них вращается под воздействием прохода отработанных газов («ведущее колесо»), а вторая приводится в движение соответствующим образом, так как жестко связана с валом («ведомое колесо»), захватывая порции воздуха из атмосферы.

Конструкция и принцип работы турбины

Установить бесключевой доступ в автомобиль

Устройство турбокомпрессора

Классический турбокомпрессор состоит из следующих элементов:

Корпус. Выполняется из жаропрочных материалов (стали). Он имеет форму улитки с двумя разнонаправленными патрубками, оснащенными фланцами для крепления в системе турбонаддува.
Турбинное колесо. Преобразует энергию отработавших газов во вращение вала, на котором оно жестко зафиксировано. Изготавливается из жаропрочных материалов (железо-никелевый сплав).
Компрессорное колесо. Воспринимает вращение от турбинного колеса и нагнетает воздух в цилиндры двигателя. Колесо компрессора зачастую изготавливают из алюминия, что снижает потери энергии. Температурный режим на этом участке близок к нормальным условиям, и применение жаропрочных материалов не требуется.
Вал турбины (ось) — соединяет турбинное и компрессорное колеса.
Подшипники скольжения, или шарикоподшипники. Необходимы для крепления вала в корпусе. В конструкции может быть предусмотрен один или два подшипника. Смазка последних осуществляется общей системой смазки двигателя.
Перепускной клапан — предназначен для управления потоком отработавших газов, воздействующим на колесо турбины. Это позволяет управлять мощностью наддува. Клапан оснащен пневматическим приводом. Его положение регулируется ЭБУ двигателя, получающим соответствующий сигнал от датчика скорости.

Принцип работы турбокомпрессора

Основной принцип работы турбины на бензиновом и дизельном двигателях заключается в следующем:

Отработавшие газы направляются в корпус турбокомпрессора, где воздействуют на лопатки турбинного колеса.
Колесо турбины начинает вращаться и разгоняться. Скорость вращения турбины при высоких оборотах может достигать до 250 000 оборотов в минуту.
Пройдя через колесо турбины, отработавшие газы отводятся в систему выпуска.
Компрессорное колесо синхронно вращается (поскольку находится на одном валу с турбинным) и направляет поток сжатого воздуха в интеркулер и далее во впускной коллектор двигателя.

И дизель и бензин

Как показывает практика, турбонаддувом оснащаются не только двигатели, работающие на бензине, но и дизельном топливе. Как правило, турбонагнетатель ставится как раз на дизельные агрегаты. Это объясняется главными параметрами:

степень сжатия выше, нежели у бензиновых аналогов;
меньшая температура отработанных газов;
не очень большие обороты коленвала.

Благодаря большой силе сжатия вместе с увеличением мощности растет и КПД такого мотора. Температура отработавших газов бензиновых двигателей намного выше, чем у дизелей. Это уже повышает риски возникновения детонации, которая неизбежно приводит к скорому износу поршневой группы.

С целью предотвращения такого явления в бак нужно заливать горючее с повышенным октановым числом. Правда, это не всегда экономичное решение, хоть и лучшее.

Неисправности и ремонт турбокомпрессоров

«Симптомами», которые могут говорить о неисправности прибора, могут быть следующие проявления:

существенное снижение мощности двигателя машины;
падение скорости;
появление черного или синего дыма из выхлопной трубы;
шум при работе мотора.

Среди наиболее распространенных неисправностей можно выделить следующие.

Утечка воздуха или отработавших газов. Может происходить как из корпуса прибора, так и из патрубков. Приводит к недостаточной силе нагнетания воздуха в цилиндры и потере мощности. Проблема решается заменой прокладок или прибора целиком.
Засорение или поломка клапана. Вызывает недостаточную подачу воздуха и потерю мощности мотора. Проблему решают путем чистки клапана или его замены.
Утечка масла в турбину. Смазка компрессора осуществляется за счет общей системы смазки двигателя. Если масло начнет попадать в корпус приспособления, то начнет сгорать в цилиндрах. Это приводит к снижению КПД двигателя и появлению синего дыма. Проблему решают путем устранения неисправности системы смазки.
Нарушение вращения ротора. Вследствие ослабления креплений или поломки подшипников может нарушиться свободных ход вала, из-за чего эффективность прибора также упадет. Проблему решают путем подтяжки всех крепления или замены подшипников.

Также следует иметь в виду, что поломка может произойти из-за физического износа устройства, который происходит по окончании срока службы. Он в среднем составляет 150 – 200 тысяч километров пробега.

Устройство системы турбонаддува

Система турбонаддува состоит из двух частей: из турбины и турбокомпрессора. Турбина служит для преобразования энергии отработанных газов, а компрессор – непосредственно для подачи многократно сжатого атмосферного воздуха в рабочие полости цилиндров. Главные детали системы – два лопастных колеса, турбинное и компрессорное (так называемые «крыльчатки»). Турбокомпрессор представляет собой технологичный насос для воздуха, приводимый в действие вращением ротора турбины. Единственная его задача – нагнетание сжатого воздуха в цилиндры под давлением.

Чем больше воздуха поступит в камеру сгорания, тем большее количество солярки дизель сможет сжечь за конкретную единицу времени. Результат – существенное увеличение мощности мотора, без необходимости наращивания объёма его цилиндров.

Составные части устройства турбонаддува:

корпус компрессора;
компрессорное колесо;
вал ротора, или ось;
корпус турбины;
турбинное колесо;
корпус подшипников.

Основа системы турбонаддува – это ротор, закреплённый на специальной оси и заключённый в особый жаропрочный корпус. Беспрерывный контакт всех составных частей турбины с чрезвычайно раскалёнными газами определяет необходимость создания как ротора, так и корпуса турбины из специальных жаропрочных металлосплавов.

Крыльчатка и ось турбины вращаются с очень высокой частотой и в противоположных направлениях. Это обеспечивает плотный прижим одного элемента к другому. Поток отработанных газов проникает вначале в выпускной коллектор, откуда попадает в специальный канал, что расположен в корпусе турбо-нагнетателя. Форма его корпуса напоминает панцирь улитки. После прохождения этой «улитки» отработанные газы с разгоном подаются на ротор. Так и обеспечивается поступательное вращение турбины.

Ось турбонагнетателя закреплена на специальных подшипниках скольжения; смазка осуществляется подачей масла из системы смазки моторного отсека. Уплотнительные кольца и прокладки препятствуют утечкам масла, а также прорывам воздуха и отработанных газов, а также их смешиванию. Конечно, полностью исключить попадание выхлопа в сжатый атмосферный воздух не удаётся, но в этом и нет большой необходимости…

Особенности и преимущества двигателя TDI

После вхождения Audi в состав WAG, концерн Volkswagen занял первые позиции в списке производителей дизельных двигателей. Инновационные инженерные решения и наработанные технологии производства обеспечили моторам TDI:

— низкий уровень шума при работе;
— высокий показатель крутящего момента;
— небольшой расход топлива;
— снижение токсичности отработавших газов;

Сегодня дизельный двигатель TDI сравнительно с аналогами имеет ряд преимуществ, среди которых отдельно выделяют топливную экономичность и КПД. Одним из основных плюсов заслуженно считается более высокое давление впрыска сравнительно с производительностью других систем. Давление впрыска в моторах TDI находится на отметке 2050 бар, тогда как аналоги выдают всего 1350 бар.
В TDI инжектор объединен с насосом, что позволяет реализовать максимальный контроль над всеми процессами топливного впрыска. Такое решение обеспечивает двигателю TDI высокий крутящий момент, а также эластичную работу данного дизеля на разных режимах. Благодаря данной системе топливоподачи сам процесс сгорания дизтоплива в моторах ТДИ более равномерный и происходит «деликатно», то есть с минимальными ударными нагрузками. По этой причине существенно снизился уровень шума во время работы дизеля, а также упало содержание оксида азота в отработавших газах. Другими словами, дизельный TDI двигатель является мощным, тихим, наименее вредным для окружающей среды и самым экономичным мотором среди доступных на рынке дизельных силовых агрегатов.

Что такое турбонаддув?

Производители автомобилей и других систем для них, систематически работают над новыми технологиями, что увеличивают производительность силовых агрегатов. Причем прогресс очевиден, ведь каждая новая технология, делает автомобиль все более шустрым, однако большинство специалистов утверждает, что практически все они работают по одному и тому же принципу.

Внимание! Прежде всего необходимо понять, что сам термин «наддув», говорит о процессе увеличения свежей порции бензина в моторе. Процесс происходит благодаря вызову искусственного увеличения давления. Эта технология специально была разработана для увеличения мощности, показатель которой, при удачном исходе, может быть увеличен до 45%

Эта технология специально была разработана для увеличения мощности, показатель которой, при удачном исходе, может быть увеличен до 45%.

Самой распространенной технологией для этого процесса является наддув агрегатного типа, который среди автомобилистов именуется, как «турбонаддув». Главной деталью в этом случае – служит турбокомпрессор. Сейчас, механические варианты компрессоров уходят в далекое прошлое, а им на смену приходят более современные турбины.

Фирменный двигатель Ауди Фольксваген 1,4 TSI Twincharger

Очень необычную вариацию на тему последовательного турбонаддува предложили инженеры фирмы «Фольксваген». В двигателях семейства TSI приводной нагнетатель и турбокомпрессор работают совместно. Пока обороты невелики, воздух подает нагнетатель, а турбина раскручивается вхолостую, без нагрузки. По мере роста оборотов агрегат потребляет все больше мощности на привод, а это расточительно. Поэтому после 2400 об/мин открывается перепускная заслонка, подающая воздух в обход нагнетателя. Электромагнитная муфта в его приводе отключает устройство. Одновременно закрывается перепускной клапан турбокомпрессора, и турбокомпрессор, успевший набрать скорость на холостом ходу, включается в работу. Результат: с 1,4-литрового мотора снимают 170 л.с., а момент больше 200 Н.м двигатель выдает уже при 1250 об/мин.

Конструкторы Audi и Volkswagen без устали продолжают поиск новых решений. Поскольку температура отработавших газов современных двигателей порой превышает 1300°С, появляются роторы из высокопрочной керамики, термостойкой и легкой.

В ближайшие годы системы турбонаддува наверняка усовершенствуют. Механические нагнетатели, родившиеся почти 100 лет назад, не сдают позиций. Ведь современные технологии позволяют делать «классические» компрессоры с точностью часовых механизмов. Резервы турбонаддува и подавно не исчерпаны. Так что «надувательство» будет продолжаться, пока жив сам двигатель внутреннего сгорания.

Особенности эксплуатации турбированных двигателей

На режимах разгона автомобиля в силу инерционности системы возникает явление, получившее название «турбояма». Сущность явления заключается в следующем:

Автомобиль движется с небольшой постоянной скоростью.
Турбина вращается в соответствующем режиме.
При резком нажатии на педаль ускорения в цилиндры двигателя подается больше топлива.
После его сгорания образуются отработавшие газы, которые с большей силой воздействуют на турбину и увеличивают мощность двигателя. Однако происходит это с некоторой временной задержкой.

Таким образом, между моментом нажатия на педаль и фактическим ускорением автомобиля присутствует некоторая временная задержка — «турбояма». Также данное явление проявляется в виде недостатка крутящего момента на малых оборотах двигателя.

Виды систем турбонаддува

Производители разработали различные способы избавления от «турбоямы»:

Турбина с изменяемой геометрией. Конструкция предусматривает изменение сечения входного канала. За счет этого выполняется регулирование потока отработавших газов.
Два турбокомпрессора, установленных последовательно (Twin Turbo). На каждый режим работы (обороты двигателя) предусматривается свой компрессор.
Два турбокомпрессора, установленных параллельно (Bi Turbo). Схема разбиения на две турбины снижает инерцию системы, и турбояма становится не так ощутима.
Комбинированный наддув. Устройство предусматривает и механический, и турбонаддув. Первый включается при низких оборотах, второй при высоких.

Что такое турботаймер и для чего он необходим

Турботаймер

Другой стороной инерционности системы с турбокомпрессором является необходимость снижать обороты постепенно. Нельзя резко выключать зажигание после того, как двигатель работал на высоких оборотах. Это обусловлено тем, что подшипники будут продолжать вращение, а поскольку масло не будет подаваться в систему — возникнет повышенное трение. Оно, в свою очередь, спровоцирует быстрый износ вала турбины.

Для решения этой проблемы применяется турботаймер. Это устройство устанавливается на приборной панели и подключается в цепь зажигания. После выключения зажигания ключом система запускает таймер, который глушит двигатель спустя некоторое время, давая возможность турбине снизить обороты до приемлемых значений.

Как работает турбонаддув в машине

Видео — для чего нужен турбокомпрессор и как он работает:

Важной деталью системы турбонаддува автомобиля выступает регулятор давления наддува, представляющий собой перепускной клапан. Он применяется с целью ограничить энергию отработавших газов двигателя и направляет их часть в сторону от колеса турбины, что позволяет регулировать давление наддува. Привод клапана может быть пневматическим или электрическим, а его срабатывание осуществляется за счет сигналов, получаемых от датчика давления наддува, которые обрабатываются блоком управления двигателем автомобиля

Именно электронный блок управления (ЭБУ) подает сигналы на открытие или закрытие клапана в зависимости от данных, получаемых датчиком давления

Для чего нужна автомобильная турбина

Автомобильная турбина вместе с компрессором является одним из компонентов, необходимых для активации так называемого турбонагнетателя (турбонаддува). Это устройство служит для увеличения объема воздуха внутри двигателя, повышения его производительности и мощности при движении автомобиля. В частности, турбина представляет собой горячую сторону турбокомпрессора и активируется благодаря горячим выхлопным газам автомобиля. Её коллега, компрессор, напротив, представляет собой холодную сторону, выполняющую поглощение воздуха, который потом сжимается.

Автомобильная турбина

Турбина используется для сбора кинетической энергии и энтальпии (термодинамического потенциала), создаваемых газами, а затем для её преобразования в механическую энергию, которая используется для приведения в действие рабочего колеса компрессора. Последний сжимает воздух и поставляет его во впускной коллектор, таким образом, обеспечивая цилиндры двигателя возрастанием объема воздуха и, следовательно, большей мощностью для автомобиля.