Устройство турбины бензинового двигателя: Принцип работы турбины на бензиновом двигателе

что это такое и как работает

Алексей Федоров

автомеханик со стажем

Профиль автора

Чем больше топливовоздушной смеси поступит в цилиндры, тем выше будет КПД двигателя.

Подать больше топлива не проблема: достаточно установить более производительный топливный насос и форсунки. С воздухом сложнее: в конце такта впуска в цилиндре атмосферного двигателя он будет разреженным.

Система турбонаддува использует энергию отработавших газов и делает так, чтобы воздуха в цилиндрах было больше. Атмосферный двигатель 1,6 л 103 л. с. прослужит дольше турбированного 1 л. Но последний при этом будет более экономичным и экологичным при той же мощности.

Разберемся, как устроена система турбонаддува и как она работает.

Что вы узнаете

• На какие двигатели ставят турбонаддув
• Что такое турбокомпрессор
• Интеркулер
• Вестгейт и актуатор турбины
• Предохранительный клапан
• Как работает турбонаддув
• Дополнительные системы в турбонаддуве

Рассылка для автолюбителей и тех, кто подумывает ими стать

Главное о том, сколько стоит владеть машиной, к чему быть готовым и как отстаивать свои права, — в вашей почте дважды в месяц. Бесплатно

На какие двигатели ставят турбонаддув

Турбонаддув встречается и на бензиновых, и на дизельных двигателях. На последних значительно чаще.

Работой бензинового ДВС управляет дроссельная заслонка: топливо подается пропорционально поступающему в цилиндры воздуху. Поэтому атмосферный бензиновый двигатель выдает неплохие показатели во всем диапазоне оборотов.

/guide/throttle/

Дроссельная заслонка: зачем нужна и как ломается

Работа дизельного двигателя регулируется количеством топлива, которое распыляют форсунки в цилиндры. Дроссельной заслонки нет, воздух в них поступает свободно. На холостом ходу и в режиме частичной нагрузки дизельный ДВС работает отлично. В режиме средней и полной нагрузки подача топлива увеличивается, а воздуха столько же: топливо в избытке, смесь переобогащенная, двигатель теряет эффективность.

Турбонаддув компенсирует недостаток воздуха. Благодаря турбине дизельный двигатель легкового автомобиля работает фактически в том же рабочем диапазоне оборотов, что и бензиновый.

Система турбонаддува состоит из турбокомпрессора, интеркулера, а также из регулировочных и предохранительных клапанов. Дальше мы поговорим о компонентах системы турбонаддува, поймем, где их искать, а также разберемся, как все это работает.

Из чего состоит система турбонаддува

Турбокомпрессор

У турбокомпрессора есть холодная и горячая части — обе похожи на улитку. Такая форма позволяет наиболее эффективно направлять потоки газов. Улитки соединены через картридж — корпус для вала, с одной стороны которого закреплено колесо турбины, а с другой — колесо компрессора. В корпусе картриджа есть масляные каналы и каналы для охлаждающей жидкости.

Горячая часть турбины работает с выхлопными газами высокой температуры — обычно 500—1000 °С. Улитка здесь отлита из чугуна с добавлением никеля, крыльчатка турбины — из жаропрочного сплава стали, никеля и хрома — инконеля. Холодная часть работает с воздухом из атмосферы, поэтому улитку и крыльчатку чаще всего отливают из алюминия.

Один из способов повысить производительность турбокомпрессора — сделать крыльчатки с обеих сторон более легкими. Горячую крыльчатку могут изготовить из титана или керамики, холодную — из магния. Также холодную крыльчатку можно выточить с помощью ЧПУ из цельного куска алюминия, ребра в таком случае будут тоньше. Все вышеперечисленные доработки делают турбокомпрессор более дорогим.

/guide/obkatka/

Что такое обкатка двигателя и как его обкатать

Турбокомпрессор или турбокомпрессоры — если их два или больше — ставят там, откуда выходят отработавшие газы. Вот какие могут быть варианты:

1. один турбокомпрессор: обычно на рядных двигателях с тремя или четырьмя цилиндрами. Включается, когда энергии выхлопных газов достаточно, чтобы раскрутить турбинное колесо, — в среднем и высоком диапазоне оборотов двигателя;
2. два разных турбокомпрессора, которые стоят один за другим. Систему можно встретить на рядных двигателях с четырьмя или больше цилиндрами. Маленький работает в низком диапазоне оборотов двигателя. При средних и высоких оборотах он выключается и начинает работать большой турбокомпрессор;
3. два одинаковых по размерам и характеристикам турбокомпрессора, которые почти всегда стоят по отдельности. В рядном шестицилиндровом двигателе будет по одному на три цилиндра, в V-образном или оппозитном — по одному турбокомпрессору на головку блока цилиндров.

Одна и та же конфигурация с двумя турбокомпрессорами у одного производителя может называться «Битурбо», у другого — «Твинтурбо».

Теперь попробуем разобраться, где под капотом искать турбокомпрессор. Иногда его видно, иногда нет. Примеры — на фотографиях ниже.

/kapremont-dvs-honda/

Как я делал капитальный ремонт двигателя Хонды Аккорд 2007 года

Из чего состоит система турбонаддува

Интеркулер

Интеркулер — это радиатор для охлаждения сжатого воздуха. Бывает воздушный и жидкостной.

Воздушный интеркулер работает на открытом воздухе. Через его каналы проходит сжатый разогретый воздух, который потом поступает в цилиндры ДВС. А набегающий воздух с улицы идет через соты: все работает так же, как в случае с радиатором охлаждения двигателя.

Такие интеркулеры чаще всего устанавливают перед основным радиатором или под ним. Иногда его располагают над двигателем, в этом случае на капоте будет явно выраженный воздухозаборник.

Интеркулер может быть расположен даже в боковых дефлекторах бампера, под фарами. Так делали на Пассате в кузове B5, Шкоде Октавии Тур. На Фольксвагене Туареге два интеркулера — с обеих сторон переднего бампера.

/guide/motor-po-kontraktu/

Как покупать б/у двигатели и коробки передач

Проблемы воздушных интеркулеров:

1. Соты забиваются грязью, воздух проходит хуже, появляются проблемы с охлаждением.
2. Может потерять герметичность из-за механических повреждений или коррозии. Сжатый воздух уходит, давление наддува снижается, мощность падает.
3. Даже будучи абсолютно чистым, может перегреться, если машина стоит в пробке. Встречного потока воздуха нет, сжатый воздух не охлаждается, эффективность интеркулера падает. Но восстанавливается, когда машина начинает двигаться с достаточной для охлаждения скоростью.

Жидкостной интеркулер — радиатор с охлаждающей жидкостью внутри впускного коллектора и с собственным контуром охлаждения. Такой интеркулер сильно экономит подкапотное пространство, вдобавок уменьшает объем впускного тракта от турбины до двигателя. Благодаря такой конструкции турбокомпрессор раньше выходит на рабочее давление.

Машина с жидкостным интеркулером ведет себя практически одинаково и в жару, и в мороз. Минус — более сложная конструкция: нужен дополнительный радиатор, чтобы охладить горячий антифриз из интеркулера.

Если жидкостный интеркулер перестанет быть герметичным, антифриз попадет в масло. В одном случае может образоваться эмульсия, в другом случится гидроудар — тут как повезет.

/guide/motor-oil/

Моторное масло: из чего состоит и как его правильно выбирать

Жидкостной интеркулер Фольксвагена Тигуана с двигателем 1.4 TSI. Закреплен во впускном коллекторе десятью винтами, из него выходят патрубки охлаждающей жидкости. Машина после ДТП, передняя часть разобрана Радиаторам тоже досталось, зато хорошо видно, что их три

Из чего состоит система турбонаддува

Вестгейт и актуатор турбины

Актуатор турбины управляет регулировочным клапаном — вестгейтом. Или, в простонародье, калиткой. Как только в горячей части турбины возникает максимально допустимое давление наддува, актуатор открывает вестгейт. Часть выхлопных газов проходит мимо крыльчатки турбины. Благодаря этому она не разгоняется больше, чем необходимо.

На конце тяги актуатора есть резьба, которая позволяет отрегулировать положение вестгейта. В нормальном состоянии он должен быть плотно закрыт Выход из горячей части турбины: вестгейт слева, крыльчатка — справа

Из чего состоит система турбонаддува

Предохранительный клапан

Если резко сбросить газ, обороты двигателя упадут быстро, дроссельная заслонка закроется.

Но турбокомпрессор продолжит быстро вращаться по инерции и создавать повышенное давление. Если это произойдет, вал может сместиться, а масляный клин — разрушиться. Возникнет трение, детали картриджа износятся.

Чтобы не повредить детали впускного тракта, нужен предохранительный клапан. Есть два варианта.

6 способов сломать двигатель автомобиля

Перепускной клапан, байпас. Когда водитель резко отпускает газ, дроссельная заслонка закрывается, давление на впуске растет, а клапан открывается и перепускает сжатый воздух обратно — в зону до турбины, к воздушному фильтру. Нагрузки на крыльчатку не избежать, но такая система позволяет хорошо амортизировать такие толчки и перенаправлять уже сжатый воздух обратно во впуск.

Двигатель Фольксвагена 1.4 TSI CAXA. Перепускной клапан — байпас — в черном корпусе, прикручен к холодной улитке. Байпас связан с блоком управления двигателя через разъем и может открываться не при возрастании давления, а как только закроется дроссельная заслонка. Это существенно снижает риск критических нагрузок

Редукционный клапан, блоу-офф. Работает по тому же принципу: открывается при достижении предела допустимого давления, но выбрасывает наружу сжатый воздух, а это также снижает нагрузку на крыльчатку турбины. В процессе слышен характерный свист — его ценят любители автомобильного тюнинга.

Автопроизводители чаще используют байпас: он не создает излишнего шума под капотом. Это преимущество, если речь идет о семейном или рабочем автомобиле.

Блоу-офф на патрубке подвода сжатого воздуха, синий шланг подключен к нему же. Когда давление на впуске возрастает, давление через этот шланг передается на мембрану внутри редукционного клапана. Он открывается и стравливает избыточное давление наружу. Такие часто используют в автоспорте либо в тюнинге, чтобы получить от турбины «пшик». Источник: taro911_Photographer / Shutterstock Как звучит блоу-офф разных производителей. Источник: канал «AJS Нюансы Тюнинга» на «Ютубе»

Как работает турбонаддув

Поток отработавших газов в турбированном двигателе первым делом попадает на турбинное колесо, а только потом — в выхлопную трубу. Крыльчатка турбинного колеса преобразует энергию во вращение и через ось передает его на крыльчатку колеса компрессора. В свою очередь, она засасывает воздух в центре и разгоняет его по радиусу.

Форма улитки на горячей стороне помогает эффективно улавливать поток отработавших газов. На холодной стороне — собирать атмосферный воздух и направлять его дальше по каналам интеркулера. Ось при этом работает в масляном клину и развивает до 150 000 оборотов в минуту.

При сжатии воздух сильно нагревается и попадает в интеркулер. После него уже охлажденный воздух попадает в цилиндры двигателя. Вестгейт и предохранительный клапан срабатывают по мере необходимости.

Сообщество 07.04.22

Чем рискует продавец автомобиля с нештатным двигателем?

Дополнительные системы в турбонаддуве

Изменяемая геометрия турбины — решение, которое позволяет направлять потоки выхлопных газов на крыльчатку турбины под разным углом. Работают специальные подвижные лопатки. Когда давление выхлопных газов низкое, они встают под острым углом и почти смыкаются. Газы попадают на крыльчатку под более острым углом, скорость потока увеличивается, турбина работает на низких оборотах. Когда двигатель набирает обороты, давление выхлопа возрастает, лопатки изменяемой геометрии встают в исходное положение и не препятствуют потоку выхлопных газов.

Такая система почти всегда есть на дизельных двигателях: у них невысокий рабочий диапазон оборотов.

Горячая часть справа. Над крыльчаткой турбины есть подвижные лопатки. Источник: dreamnikon / Shutterstock Принцип работы турбокомпрессора с изменяемой геометрией. Источник: канал «Coupemaniaful» на «Ютубе»

Управление подъемом выпускных клапанов. Клапаны здесь также ускоряют поток выхлопных газов на пути к крыльчатке турбины: приподнимаются на определенную высоту, при которой могут его усилить, когда это необходимо.

Такое техническое решение применили на двигателях 1.8 и 2.0 TSI третьего поколения. Их можно встретить на Шкоде Октавии в кузове A7, в новом Фольксвагене Тигуане или Пассате. При этом есть такие же двигатели, но электроника на них управляет подъемом впускных клапанов. Такие ДВС менее мощные, но более экономичные.

Антилаг можно встретить на гоночных автомобилях, особенно на раллийных. Когда пилот бросает газ, дроссельная заслонка резко закрывается и блок управления двигателем устанавливает очень позднее зажигание.

/list/the-fastest-cars/

Ручная сборка и серебро в салоне: топ-10 самых быстрых машин в мире

Топливовоздушная смесь поджигается уже с открытым выпускным клапаном, появляется прямой поток горящего пламени. Турбина продолжает благодаря этому работать на высоких оборотах, а из выхлопной трубы вылетают языки пламени.

Обычно это происходит, когда гоночная машина входит в поворот: в этот момент пилот отпустил газ и включилась антилаг-система. На выходе из поворота он выжмет газ, а во впускном коллекторе уже будет сжатый воздух.

Запомнить

1. Машины с турбонаддувом более дорогие при покупке и в эксплуатации.
2. Прибавка 30—50% мощности — весомый аргумент в пользу турбированного двигателя.
3. Почти любой дизельный двигатель на легковой машине — турбированный.

Новости, которые касаются всех, — в нашем телеграм-канале. Подписывайтесь, чтобы быть в курсе происходящего: @tinkoffjournal.

Что такое турбина — принцип работы в авто

Первый турбонагнетатель был установлен на мотор биплана Lepere. Запатентовать идею использования энергии выхлопных газов для раскручивания крыльчатки и подачи увеличенного количества сжатого воздуха в цилиндры получилось у швейцарца Бюши в 1905 году. С тех пор автомобильные инженеры-конструкторы постоянно пытаются повысить мощность ДВС за счет турбин.

Сейчас же турбокомпрессорами оснащены уже практически все моторы. Даже агрегаты с небольшими объемами получаются мощными и экономными. Однако из-за некачественного масла, а также несвоевременного обслуживания система наддува может быстро выходить из строя, провоцируя поломки смежных узлов. Разберемся, как работает турбина, из каких комплектующих она состоит и как самостоятельно проверить ее на предмет поломок.

Содержание:

Что такое турбина

Современный турбокомпрессор – это такое устройство, которое способно сделать мотор более мощным. При этом увеличения габаритов самого силового агрегата не требуются. Турбина позволяет повысить мощностные характеристики двигателя в среднем на 40 %.

Мощность увеличивается за счет сгорания большего количества бензина или дизтоплива. Но подача горючего должна быть грамотной. Без дополнительной порции воздуха процесс горения не состоится. Недогоревшие излишки топлива будут накапливаться, провоцируя образование повышенной дымности, перегрев двигателя и прочие неполадки. Структура оптимальной топливно-воздушной смеси состоит из 1 части горючего и 14,7 частей воздуха, зависит от типа мотора, а также режима работы.

До эпохи турбин, американцы пытались повысить мощность за счет увеличения объема цилиндров, чтобы в двигатель могло затягиваться из атмосферы большее количество воздуха. Их силовые агрегаты имели огромные размеры и недопустимый расход топлива.

Двигатель Chrysler Hemi V8, объем 5,4 л. / 1952 г.

В 1885 году Готтлиб Вильгельм Даймлер придумал первый нагнетатель, принудительно загоняющий воздух в цилиндры. Это был компрессор (в виде вентилятора), привод которого осуществлялся от вала двигателя. Бюши в 1905 году качественно переработал конструкцию, что позволило уменьшить размеры и вес дизельных двигателей. В качестве движителя энергии стал использоваться выхлоп. В общем, так был придуман турбонаддув и турбина.

Альфред Бюши запатентовал первый турбокомпрессор в 1905 г.

Из чего состоит автомобильная турбина

Сейчас выпускается несколько типов турбин для авто. Они различаются комплектующими, типом управления и прочими характеристиками. Рассмотрим составные части классической модели исполнения турбины.

Структура турбины:

• Общий корпус – деталь должна быть изготовлена из жаропрочной стали. По своей форме она напоминает улитку с 2-мя патрубками, направленными в разные стороны. Крепление в системе принудительного наддува осуществляется посредством фланцев.
• Турбинное колесо – производится из железоникелевых сплавов и других жаропрочных материалов. Сами крыльчатки турбины зафиксированы на валу. Раскручиваясь они преобразовывают энергию выхлопных газов во вращение оси. Количество лопастей бывает от 9-12 шт.
• Компрессорное колесо – чаще всего эту комплектующую изготавливают из алюминия. Материал выбран не случайно, он помогает снижать потери энергии полученные от колеса турбины. Во время своего вращения компрессорное колесо нагнетает сжатый воздух в цилиндры дизеля или бензинового двигателя.
• Вал турбины – металлическая ось, с одной стороны которой расположено турбинное колесо, с другой – компрессорное.
• Шарикоподшипники (подшипники скольжения) – в зависимости от модели турбины в конструкции может быть 1-2 таких подшипников. Они используются для фиксации вала внутри корпуса турбокомпрессора. Смазка деталей обеспечивается общей системой смазки силового агрегата.
• Перепускной клапан – с помощью узла производят управление мощностью турбонаддува. Клапан имеет пневматический привод и регулируется посредством системы ЭБУ мотора.

Это стандартная структура турбины. Бывают также модели с изменяемой геометрией. Отличаются они механизмом управления и приводом. Лопатки в таких системах поворотные – позволяют регулировать проходное сечение для потока выхлопа под особенности работы двигателя.

Клапан управления или актуатор турбины бывает вакуумным или электронным. Кроме того, некоторые турбокомпрессоры оснащены интеркулером, который охлаждает сжатый воздух перед подачей в цилиндры.

Несмотря на конструктивные отличия, все турбины выполняют одну и ту же задачу – повышают мощность мотора.

Где расположена турбина в авто

В машине турбина стоит в непосредственной близости к мотору. Но место расположения турбины зависит от двигателя и типа турбокомпрессора: одинарные, двойные и т. д.

Одинарная классическая турбина обычно устанавливается на силовые устройства с рядным размещением цилиндров. Где происходит использование энергии отработанных газов абсолютно от всех цилиндров мотора. Воздух подается во все цилиндры сразу.

На двигатели с цилиндрами, размещенными V-образным образом, обычно ставят двойные турбины. Когда два турбокомпрессора, увеличить мощность силового агрегата легче. В таких моделях турбин может быть установлен перекрестный выпускной коллектор. В нем аккумулируются выхлопные газы из всех цилиндров, что дает возможность повысить мощность энергии выхлопа. В результате газы быстрее раскручивают крыльчатку турбины и увеличивают давление в ней.

Двигатель с турбиной VW (с разных сторон)

В общем, в автомобиле турбокомпрессор размещают между впускным и выпускным коллекторами. У переднеприводных машин турбина будет расположена слева от двигателя, заднеприводных – справа.

Турбокомпрессор с изменяемой геометрией работает по особой технологии. Она дает возможность создать мощные воздухопотоки уже на низах и перенаправить геометрию сопла турбины. Место расположения турбины, как и у классических вариантов, зависит от привода авто.

Какие бывают виды турбин

Существует несколько типов турбокомпрессоров. Условно их можно разделить на три группы: электрические, механические или компрессор, а также турбины, работающие от выхлопных газов. Они отличаются материалами изготовления, мощностью и другими параметрами.

Кроме того, выпускается большое количество подтипов турбин, например, с изменяемой геометрией, последовательная Twin Turbo и прочие. Работает каждая модель турбины по своему особому алгоритму. Пройдемся по конструкции основных групп.

Механические компрессоры

Механический компрессор

Нагнетатель компрессорного типа подключают непосредственно к двигателю через ременную передачу – соединяют вал компрессора и вращающий коленчатый вал. Работает агрегат, только когда запущен мотор автомобиля. Диапазон оборотов в минуту от 18-20000.

Во время функционирования механического вида нет запредельных температур и не появляется эффект турбоямы. Такое оборудование требует минимум ухода и имеет довольно надежную конструкцию. Однако мощность компрессор способен повысить всего на 5-10 %. Да и найти такой агрегат в продаже сейчас довольно сложно. Турбины практически вытеснили конструкцию из обихода.

Стандартные турбины

Турбокомпрессор

Приводом для турбины являются отработанные газы. Они раскручивают крыльчатки с валом до 200000 об/мин. В общем, улитка нужна, чтоб нагнетать большое количество воздуха в цилиндры для обогащения топливно-воздушной смеси. На сегодняшний день это самый производительный вариант системы наддува, он способен повысить мощность силового агрегата до 30-50%.

Турбокомпрессор работает с сильно нагретыми выхлопными газами, температура может доходить вплоть до 950 °C. Эта особенность отражается на ресурсе устройства. Бывает, что уже через 20-50 тыс. км. пробега свистит турбина или появляются другие признаки поломок. Но при своевременном обслуживании таких неприятностей можно избежать и ТКР будет служить столько же, как и двигатель.

К слабым сторонам классических турбин можно отнести требовательность к качеству топлива, возможность возникновения эффекта «турбоямы» и масложор, появляющийся в результате неправильной эксплуатации. Производительность у агрегатов большая, но они требуют бережного отношения к себе.

Автоконцерны пытаются продлить ресурс систем турбонаддува, постоянно модернизируя турбины. Возможно, уже скоро появятся модели, которые будут служить значительно дольше.

Электрический тип турбин

Электрическая турбина

Электротурбины сочетают в себе свойства классических улиток и механических компрессоров. Разработкой гибридных устройств сейчас занимается большое количество компаний. Например, Garett делает свои турбины с небольшим электродвигателем. Он принудительно подкручивает колесо, если есть вероятность возникновения турбоямы. Обычно такое случается на низких оборотах.

Сама технология электрических турбин разрабатывается уже давно. В Garrett продвигают турбину, которая совмещена с электродвигателем. Именно такими системами надува хотят оснастить свои автомобили Mercedes-Benz. Электрический двигатель тут может функционировать в качестве генератора, и как мотор. VAG же, наоборот, разрабатывает агрегаты с раздельным электрокомпрессором и турбиной. Под зарядку АКБ схема не подходит.

К достоинствам электрических турбин относят мгновенное раскручивание, отличную производительность и долгий ресурс. Однако есть и недостаток – нужно много энергии.

Когда включается турбина на дизельном и бензиновом двигателе

С экономической точки зрения турбины очень выгодно устанавливать на автомобили. Это проще, чем повысить объем цилиндров или увеличить их количество. Поэтому уже половина выпускаемых моделей авто оснащены турбокомпрессорами: 20% бензиновые агрегаты, 80% — дизельные двигатели.

В работу турбина включается после запуска турбомотора. Даже на холостом ходу отработанные газы потихоньку раскручивают лопасти турбины. Когда обороты повышаются, производительность системы наддува увеличивается.

Показатель номинального давления турбины зависит от типа машины: спортивные варианты в пределах 3,4 бар, обычные легковые – от 1,4-2,5 бар. Если при проверке манометром, включенным в цепь управления ТНВД, полученные значения выше или ниже допустимых, значит, имеют место поломки системы турбонаддува. Проблемы могут крыться в ограничивающем клапане или засоренном воздушном фильтре, а возможно пора уже почистить геометрию турбины. При наличии отклонений нужна качественная диагностика турбокомпрессора.

Максимальная эффективность наддува дизелями доступна при 1800-4000 оборотах коленчатого вала. В это время турбинное колесо раскручивается до 150000 об/мин. Самая верхняя точка производительности достигается на 3000-4000 об/мин. Все что выше может спровоцировать перегрузку, поэтому в конструкции системы наддува имеется перепускной клапан, сбрасывающий лишнее давление.

Что дает турбина автомобилю и насколько она повышает мощность

Турбину устанавливают, чтобы повысить мощность на высоких и средних оборотах – до 30-50 %, в зависимости от модели двигателя. На скорость автомобиля она не влияет, но динамику разгона улучшает прилично.

Итак, что же дает турбина:

• Экономию топлива — чтобы разогнать атмосферник до таких показателей потребуется на 30-40 % больше горючего.
• Турбина позволяет добиться высоких показателей мощности без увеличения размеров мотора.
• Турбина уменьшает количество вредных веществ в выхлопе.
• Работает тише атмосферных двигателей без турбины.
• Турбина оптимизирует свойства автомобиля: исключает вероятность переключения передач во время движения в пробках, улучшает крутящий момент.
• Турбина делает машину более безопасной, так как воздушно-топливная смесь сгорает полностью.

Топливо турбина экономит, а вот расход масла увеличивает. Все дело в том, что турбокомпрессор требует качественной смазки и низкосортное масло тут применять нельзя.

В среднем ресурс турбины на дизеле составляет 250 000 км, на бензиновом моторе немного меньше – до 150000 км. Но срок «жизни» системы напрямую зависит от особенностей езды и обслуживания.

Как работает турбина на автомобиле

Турбина в автомобиле находится в непосредственной близости к двигателю, но жесткой связи с коленвалом силового агрегата она не имеет. Эффективность работы системы и скорость вращения крыльчаток турбины зависит от числа оборотов мотора.

Принцип работы турбокомпрессора

Работает турбокомпрессор от энергии выхлопных газов. Когда в моторе сгорает топливно-воздушная смесь образуются отработанные газы, которые выходят через выхлопную трубу. В выпускном коллекторе размещена крыльчатка, соединенная валом с другой крыльчаткой, установленной во впускном коллекторе.

Принцип работ турбокомпрессора

Выходящий выхлоп раскручивает колесо турбины, приводящее в движение вал ротора с компрессорным колесом. А уже компрессорное колесо сжимает воздушный поток, направляет его в интеркулер (если он есть) и далее в цилиндры. Так в турбомотор попадает больше воздуха и больше топлива. Такая топливно-воздушная смесь лучше сгорает, увеличивая мощность силового агрегата.

От количества выхлопных газов, попадающих в турбину, зависит скорость вращения крыльчаток. Чем их больше, тем больше воздуха будет попадать в цилиндры. Но сами по себе отработанные газы очень горячие, они способны перегревать турбокомпрессор и чрезмерно нагревают воздух. Поэтому во многих моделях в конструкцию турбонаддува включен интеркулер – радиатор охлаждения. Попадая внутрь этого радиатора воздушный поток остывает до нужной температуры и только тогда направляется в цилиндры. Это значительно повышает КПД и дает возможность минимизировать риск закипания двигателя.

В общем, турбина позволяет снять даже с малого рабочего объема приличную мощность. При этом нет необходимости увеличивать вес двигателя. Потери на трение также минимальны. Эти преимущества делают турбомоторы очень востребованными. Они более экономны, если сравнивать с атмосферниками такой же мощности.

Технологии Twin-turbo и Biturbo

Классические турбины не лишены и недостатков. Их крыльчатка способна разогнаться до 200000 об/мин. Большая инерционность агрегата способствует образованию «турбоямы» — задержка увеличения мощности мотора, появляющаяся при резком нажатии на педаль газа. А после выхода из «турбоямы» имеет место чрезмерное увеличение давления наддува, так называемый турбоподхват.

Чтобы уменьшить инерционность и избежать негативных последствий турбокомпрессоров были разработаны новые технологии для создания турбин — «Битурбо», а также «Твинтурбо». И в первом, и во втором варианте используется две небольшие турбины. Особых отличий в конструкциях устройств нет. Производители просто по-разному называют сдвоенную турбину.

Технология Twin-turbo Технология Biturbo

Двойные турбины позволяют избежать «турбоямы». Помогают снизить расход топлива и увеличить мощность мотора. Различаются комбинированные турбокомпрессоры схемами подключения.

Вариации подключения наддува:

• Параллельная схема – обе турбины работают параллельно друг другу. Воздушный поток сначала нагнетается во впускной коллектор, смешивается с горючим, а после подается в камеру сгорания и цилиндры. Схема используется для дизелей.
• Последовательно-параллельная схема – одна турбина все время функционирует, вторая включается только при увеличении нагрузки. За управление и переключение режимов отвечает специальный клапан, работу которого контролирует ЭБУ мотора. Такая схема обеспечивает плавный разгон, хороший подхват без задержек, что исключает вероятность возникновения «турбоямы».
• Ступенчатая схема – установлены турбины разного размера. Они имеют последовательное соединение с выпускным, а также впускным коллекторами. Внутри каналов расположены перепускные клапаны, регулирующие поток отработанных газов и воздуха. Работает система в 3 режимах. При небольшой нагрузке клапаны закрыты и выхлоп проходит по каналам обеих турбин, но лопасти большого компрессора практически не вращаются. С ростом оборотов турбомотора открывается один клапан, и большая улитка начинает активно вращаться, сжимая воздух и передавая его на малое колесо. На максимальных оборотах происходит 100 % открытие обоих клапанов. Выхлопные газы попадают сразу же в большую турбину, а далее нагнетаются в цилиндры. Ступенчатый тип идеален для дизельных двигателей.

Турбины Twin-turbo или Biturbo устанавливаются на дизели, а также бензиновые моторы. В бензиновых агрегатах системы более требовательны к заливаемому топливу. Использовать стоит бензин с высоким октановым числом, иначе появится детонация, а также нестабильная работа турбомотора.

К достоинствам технологий «Битурбо», а также «Твинтурбо» следует отнести отсутствие явления «турбоямы», отличную динамику, более экологичный выхлоп и существенную прибавку мощности. Недостатков у турбин не так много, но они есть: сложная конструкция, стоят дороже классических турбин, относительно дорогой ремонт.

Как проверить работает ли турбина на автомобиле

Зачем нужно периодически проверять исправна ли турбина? Потому что агрегат сам по себе не ломается. Если наблюдаются изменения в работе агрегата, то в большинстве случаев это результат выхода из строя соседних узлов. Хотя внутренние детали турбокомпрессора тоже могут изнашиваться и требовать замены.

Невозможно не заметить сбои в работе турбины. Сразу же меняются ходовые качества — куда бы вы не поехали автомобиль нормально разогнать не получается. Особенно ухудшение динамики наблюдается при движении на подъем. Мотор очень плохо набирает обороты. Появляются и другие неприятные признаки выхода из строя системы турбонаддува: выхлоп меняет цвет, масложор и т. д.

Точную диагностику неисправностей турбины делают в сервисе на специальном оборудовании. Чтобы выполнить такую проверку турбокомпрессор нужно демонтировать, что не всегда удобно. Однако есть способы, помогающие проверить турбонагнетатель без снятия с мотора.

Самостоятельная диагностика турбины:

1. Послушайте, как работает турбина на холодном двигателе – скрежет, звук разбитого подшипника, свист или даже громкая работа свидетельствуют о поломках.
2. Проверьте динамику авто на прогретом двигателе – медленный набор скорости и «провалы» тяги также являются признаками неисправностей.
3. Проверьте масло – открутите крышку заливной горловины, если она черная и вся в саже, пора в ремонт.
4. Обратите внимание на расход масла – в норме до 1 л на 3-4 тыс. км.

Кроме того, при поломках турбины на панели приборов загорается значок «Check engine».

Проверить турбину на дизеле можно и с помощью патрубка, соединяющего улитку и впускной коллектор. Для проведения диагностики понадобится помощник. Следует запустить двигатель, пережать этот патрубок и отпустить его. Второму человеку нужно погазовать около 3-х секунд. В исправном турбокомпрессоре патрубок раздуется под действием давления.

При осмотре узлов системы турбонаддува следуете помнить, что крыльчатки турбины должны быть без зазубрин и прочих повреждений. Если имеет место дефект лопаток, нужно решать, как лучше поступить: ремонтировать или купить новую турбину.

Некоторые поломки невозможно обнаружить без снятия турбокомпрессора. После демонтажа турбины проверяют наличие люфта: радиального и осевого. В первом варианте допускается не более 1 мм, осевой люфт – 0,05 мм.

Тщательно обследовать следует и корпус турбины, а также проверить на герметичность все патрубки. Если в системе имеется интеркулер, его также необходимо осмотреть. Внутри радиатора не должно быть масла (допускается до 30 мл).

Чтобы турбина долго не ломалась и смогла отработать заявленный производителями ресурс нужно вовремя ее обслуживать. На срок службы влияет и манера вождения.

Как правильно ездить на дизеле с турбиной

Слишком активная езда без охлаждения может быстро вывести турбину из строя. Поэтому после интенсивных «покатушек» нужно постоять несколько минут на холостых и только потом глушить мотор. За это время циркулирующее масло охладит конструкцию турбины до нормальной температуры.

Чтобы долго не ждать остывания турбомотора, рекомендуется перед парковкой ехать в спокойном режиме. А если надолго попали в пробку, то не стоит резко ускоряться. Иначе можно спровоцировать критический перегрев, ведь двигатель с турбиной и так будут слишком нагреты от длительного простоя без движения.

Турбина постоянно подвергается высоким нагрузкам. В процессе езды лучше придерживаться средних оборотов. Иногда необходимо разгонять двигатель до очень высоких оборотов, чтобы в системе турбонаддува активировался естественный процесс очистки.

В зимнее время нужно мотору и турбине дать немного прогреться и только потом трогаться. Нельзя допускать перегазовок. Особое внимание должно уделяться качеству масла и горючего. Вовремя нужно менять моторное масло и фильтры.

Ну и, конечно же, следует часто проверять уровень моторного масла, а не только перед дальней поездкой. Если уровень падает, подшипники недополучают необходимого количества смазки. Это приводит к быстрому износу деталей турбины. Тут уже нужно разбираться, куда уходит масло. Возможно сломался масляный насос или масляная система разгерметизировалась.

Бережная езда и своевременное обслуживание уберегут турбину от выхода из строя. При своевременном обнаружении поломок возможен ремонт турбины своими руками. Иногда достаточно лишь подтянуть хомуты или заменить ремкомплект.

Плюсы и минусы турбонаддува

Неоспоримым достоинством двигателей с турбиной является повышенная мощность. С таким же объемом цилиндров атмосферник будет слабее на 30-50 %, зависит от модели. Однако в автомобилях с турбонаддувом есть и слабые стороны. Разберемся с преимуществами и возможными недостатками подробнее.

Преимущества турбины:

• Небольшие размеры двигателя – турбина дает возможность повысить мощность без увеличения габаритов силового агрегата. К примеру, 2-3-цилиндровый турбодвигатель по мощности сопоставим 4-цилиндровому атмосфернику.
• Экономия топлива – благодаря оптимизации структуры топливно-воздушной смеси и более эффективному процессу горения снижается расход горючего, если сравнивать с обеспечением таких же лошадиных сил на атмосферном моторе.
• Экологичность – в выхлопе машин с турбинами меньше вредных веществ, поскольку в цилиндрах происходит практически 100 % сгорание смеси. С утверждением новых Евро норм выпуск автомобилей с бензиновыми турбодвигателями увеличился на 25 %.
• Низкий уровень шума – во время движения автомобиля нет никаких вибраций. Исправная турбина работает очень тихо.

Недостатки турбины:

• Уменьшение ресурса двигателя – работа в режиме форсирования и повышенного давления провоцирует более быстрый износ деталей и узлов силовой установки.
• Чувствительность к топливу – бензиновые турбодвигатели требуют горючего с высоким октановым числом. Если заливать АИ-92, мотор быстро выйдет из строя.
• Турбины требуют частой замены масла – в смазке нуждается не только двигатель, но и узлы турбины. Поэтому масло быстрее израсходуется и загрязняется. К тому же, использовать нужно только дорогую качественную синтетику. Нарушение регламента замены смазочных материалов приводит к быстрой поломке турбокомпрессора.
• Дорогой ремонт – капремонт мотора необходим на пробеге от 200 тыс. км. Качественно починить двигатель с турбиной смогут не в каждой автомастерской. Чтобы проводить такой ремонт требуются вложения в специализированное оборудование, потому цена не может быть низкой.
• Заморочки с эксплуатацией – нужно правильно заводить авто, нельзя сразу глушить мотор после остановки и т. д.
• Эффект «турбоямы» — при резком нажатии на педаль газа автомобиль слабо реагирует, случаются так называемые провалы. То есть на низких оборотах машине с турбиной резко тронуться проблематично.

Турбины имеют много достоинств, но и минусов предостаточно. Хотя при правильной эксплуатации растраты на ремонт системы наддува будут минимальными. А от эффекта «турбоямы» помогают избавиться турбокомпрессоры с изменяемой геометрией и модели Biturbo/Twin-turbo.

Как работают газотурбинные электростанции

Управление Управление ископаемой энергией и выбросами углерода

Изображение

Турбины внутреннего сгорания (газовые), устанавливаемые на многих современных электростанциях, работающих на природном газе, представляют собой сложные машины, но в основном состоят из трех основных секций:

• нагнетает его и подает в камеру сгорания со скоростью сотни миль в час.
• Система сгорания , обычно состоящая из кольца топливных форсунок, которые впрыскивают постоянный поток топлива в камеры сгорания, где оно смешивается с воздухом. Смесь сгорает при температуре более 2000 градусов по Фаренгейту. В результате сгорания образуется высокотемпературный поток газа под высоким давлением, который входит и расширяется через секцию турбины.
• Турбина представляет собой сложную систему чередующихся стационарных и вращающихся лопастей с аэродинамическим профилем. Когда горячий дымовой газ расширяется через турбину, он вращает вращающиеся лопасти. Вращающиеся лопасти выполняют двойную функцию: они приводят в действие компрессор, чтобы накачать больше сжатого воздуха в секцию сгорания, и вращают генератор для производства электроэнергии.

Наземные газовые турбины бывают двух типов: (1) двигатели с тяжелой рамой и (2) авиационные двигатели. Двигатели с тяжелой рамой характеризуются более низким коэффициентом давления (обычно ниже 20) и, как правило, имеют большие физические размеры. Степень сжатия – это отношение давления нагнетания компрессора к давлению воздуха на входе. Авиационные двигатели произошли от реактивных двигателей, как следует из названия, и работают при очень высокой степени сжатия (обычно более 30). Авиационные двигатели, как правило, очень компактны и полезны там, где требуется меньшая выходная мощность. Поскольку турбины с большой рамой имеют более высокую выходную мощность, они могут производить большее количество выбросов и должны быть спроектированы для достижения низкого уровня выбросов загрязняющих веществ, таких как NOx.

Одним из ключевых факторов эффективности отношения топлива к мощности турбины является температура, при которой она работает. Более высокие температуры обычно означают более высокую эффективность, что, в свою очередь, может привести к более экономичной работе. Газ, протекающий через турбину типичной электростанции, может иметь температуру до 2300 градусов по Фаренгейту, но некоторые из критических металлов в турбине могут выдерживать температуры только до 1500–1700 градусов по Фаренгейту. Следовательно, воздух из компрессора может использоваться для охлаждения. ключевые компоненты турбины, снижая предельную тепловую эффективность.

Одним из главных достижений программы Министерства энергетики США по созданию усовершенствованных турбин стало преодоление прежних ограничений по температуре турбины за счет сочетания инновационных технологий охлаждения и передовых материалов. Усовершенствованные турбины, появившиеся в результате исследовательской программы Департамента, смогли повысить температуру на входе в турбину до 2600 градусов по Фаренгейту, что почти на 300 градусов выше, чем в предыдущих турбинах, и достичь эффективности до 60 процентов.

Другим способом повышения эффективности является установка рекуператора или парогенератора-утилизатора (HRSG) для извлечения энергии из выхлопных газов турбины. Рекуператор улавливает отработанное тепло в выхлопной системе турбины для предварительного нагрева нагнетаемого компрессором воздуха перед его подачей в камеру сгорания. Котел-утилизатор вырабатывает пар, улавливая тепло выхлопных газов турбины. Эти котлы также известны как парогенераторы-утилизаторы. Пар высокого давления из этих котлов можно использовать для выработки дополнительной электроэнергии с помощью паровых турбин, конфигурация которых называется комбинированным циклом.

Газовая турбина простого цикла может достигать эффективности преобразования энергии в диапазоне от 20 до 35 процентов. Благодаря более высоким температурам, достигнутым в программе турбин Министерства энергетики, будущие электростанции с комбинированным циклом, работающие на водороде и сингазе, вероятно, достигнут эффективности 60 процентов или более. Когда отработанное тепло улавливается из этих систем для отопления или промышленных целей, общая эффективность энергетического цикла может достигать 80 процентов.

 

Турбинные газовые электростанции против газовых двигателей

Уступают ли газовые турбины свою долю рынка газовым двигателям? Этот вопрос, кажется, не сходит с уст игроков отрасли электроэнергетики. Газовые турбины традиционно были единственной технологией, которую выбирали для крупных проектов по производству тепла и электроэнергии. Если вы спросите любого отраслевого эксперта, ситуация может медленно, но заметно меняться благодаря большей гибкости двигателей. Поскольку традиция в электростанциях проверяется, мы сравниваем два типа электростанций ( газовая турбина и газовый двигатель ), с указанием плюсов и минусов каждого из них.

Электростанция с газовым двигателем

Относится к двигателю внутреннего сгорания, работающему на топливе , таком как природный газ, доменный газ и генераторный газ. Это оборудование часто ассоциируется с доктором Отто, известным ученым, который улучшил оригинальную работу француза по имени Ленуар. Газовый двигатель основан на цикле Отто . В отличие от дизельного цикла, цикл Отто не подвергается так называемому самовоспламенению. Вместо этого свеча зажигания инициирует воспламенение воздушно-топливной смеси.

Рис. 1: Газовый двигатель GE

Подобно автомобильному двигателю, силовая установка с газовым двигателем характеризуется четырехтактным циклом . Основное отличие состоит в том, что топливом является природный газ или другое. Другое отличие заключается в том, что двигатель работает постоянно после того, как оператор установил требуемую мощность. Двигатель подключается к генератору для выработки электроэнергии. Подобно автомобильному двигателю, этот двигатель нагревается и производит отработанное тепло. К источникам тепла относятся:

• Выхлопной газ
• Производство газовых смесей
• Горячее смазочное масло

В сеттинге электростанции вы найдете несколько газовых двигателей, соединенных между собой в генераторные установки . Однако каждый двигатель соединяется со своим валом, который соединяется с электрическим генератором. Установки доступны в стандартных размерах до 20 МВт. Другие технологии могут столкнуться с более высокими затратами и проблемами, когда требуется отрегулировать нагрузку в соответствии с фактическим спросом, но силовые установки играют эту роль очень эффективно. Даже если на электростанции установлено более 20 таких двигателей, их запуск и остановка в течение нескольких минут не является проблемой. Модульность и высокая экономичность делают газовые двигатели оптимальным решением для стабильных требований к мощности в любом месте. Вы можете легко установить малую или среднюю электростанцию ​​на крыше или в подвале. Вы могли бы даже поместить его в контейнер. Эти и другие характеристики приведены ниже.

Турбинные газовые электростанции

Газовая турбина , мозг электростанции, представляет собой двигатель внутреннего сгорания , который преобразует жидкое топливо, особенно природный газ, в механическую энергию. Эта энергия питает генератор, который, в свою очередь, производит электричество.

Рис. 1: Промышленная газовая турбина

Внутри газовой турбины топливно-воздушная смесь нагревается до чрезвычайно высоких температур. Это заставляет лопасти турбины быстро вращаться. Рынок газовых турбин неуклонно растет, и прогнозируется, что эта тенденция сохранится и в 2020 году. Легко понять, почему это так, если вы посмотрите на преимущества, изложенные ниже .

Для установки в районах с высокой температурой окружающей среды часто пригодятся установки TIAC.