Pro zvýšení výkonu spalovacích motorů se hojně využívají speciální jednotky – turbodmychadla.O tom, co je turbodmychadlo, jaké jsou tyto agregáty, jak jsou uspořádány a na jakých principech je založena jejich práce a také o jejich údržbě a opravách, se dočtete v článku.
Co je to turbodmychadlo?
Turbodmychadlo je hlavní součástí systému přetlakování agregátu spalovacích motorů, jednotky pro zvýšení tlaku v sacím traktu motoru vlivem energie výfukových plynů.
Turbodmychadlo slouží ke zvýšení výkonu spalovacího motoru bez radikálních zásahů do jeho konstrukce.Tato jednotka zvyšuje tlak v sacím traktu motoru a poskytuje zvýšené množství směsi paliva a vzduchu do spalovacích komor.V tomto případě dochází ke spalování při vyšší teplotě za vzniku většího objemu plynů, což vede ke zvýšení tlaku na píst a v důsledku toho ke zvýšení točivého momentu a výkonové charakteristiky motoru.
Použití turbodmychadla umožňuje zvýšit výkon motoru o 20-50% s minimálním zvýšením jeho nákladů (a s výraznějšími úpravami může růst výkonu dosáhnout 100-120%).Systémy přetlakování na bázi turbodmychadel jsou díky své jednoduchosti, spolehlivosti a účinnosti široce používány u všech typů vozidel se spalovacím motorem.
Typy a vlastnosti turbodmychadel
Turbodmychadla dnes existuje celá řada, lze je však rozdělit do skupin podle účelu a použitelnosti, typu použité turbíny a doplňkové funkčnosti.
Podle účelu lze turbodmychadla rozdělit do několika typů:
• Pro jednostupňové přetlakové systémy - jedno turbodmychadlo na motor nebo dvě nebo více jednotek pracujících na více válcích;
•Pro sériové a sériově paralelní nafukovací systémy (různé varianty Twin Turbo) - dvě stejné nebo různé jednotky pracující na společné skupině válců;
• U dvoustupňových přetlakových systémů jsou k dispozici dvě turbodmychadla s různou charakteristikou, která pracují ve dvojicích (postupně za sebou) pro jednu skupinu válců.
Nejpoužívanější jsou jednostupňové přetlakové systémy postavené na bázi jednoho turbodmychadla.Takový systém však může mít dvě nebo čtyři stejné jednotky - například u motorů ve tvaru V se pro každou řadu válců používají samostatná turbodmychadla, u víceválcových motorů (více než 8) lze použít čtyři turbodmychadla, každé z který pracuje na 2, 4 nebo více válcích.Méně obvyklé jsou dvoustupňové přetlakové systémy a různé variace Twin-Turbo, využívají dvě turbodmychadla s různými charakteristikami, která mohou pracovat pouze ve dvojici.
Podle použitelnosti lze turbodmychadla rozdělit do několika skupin:
• Podle typu motoru - pro benzínové, naftové a plynové pohonné jednotky;
• Z hlediska objemu a výkonu motoru - pro pohonné jednotky malého, středního a vysokého výkonu;pro vysokorychlostní motory atd.
Turbodmychadla mohou být vybavena jedním ze dvou typů turbín:
• Radiální (radiálně-axiální, dostředivé) - proud výfukových plynů je přiváděn na obvod oběžného kola turbíny, pohybuje se do jeho středu a je odváděn v axiálním směru;
• Axiální - proud výfukových plynů je přiváděn podél osy (do středu) oběžného kola turbíny a je odváděn z jeho obvodu.
Dnes se používají obě schémata, ale na malých motorech se často setkáte s turbodmychadly s radiálně-axiální turbínou a na výkonných pohonných jednotkách jsou preferovány axiální turbíny (i když to není pravidlem).Bez ohledu na typ turbíny jsou všechna turbodmychadla vybavena odstředivým kompresorem - v něm je vzduch přiváděn do středu oběžného kola a odváděn z jeho obvodu.
Moderní turbodmychadla mohou mít různé funkce:
• Dvojitý vstup - turbína má dva vstupy, každý z nich přijímá výfukové plyny z jedné skupiny válců, toto řešení snižuje tlakové ztráty v systému a zlepšuje stabilitu náplně;
• Variabilní geometrie - turbína má pohyblivé lopatky nebo kluzný kroužek, přes který lze měnit proudění výfukových plynů k oběžnému kolu, to umožňuje měnit charakteristiku turbodmychadla v závislosti na provozním režimu motoru.
A konečně, turbodmychadla se liší svými základními výkonnostními charakteristikami a schopnostmi.Z hlavních charakteristik těchto jednotek je třeba zdůraznit:
• Stupeň nárůstu tlaku - poměr tlaku vzduchu na výstupu z kompresoru k tlaku vzduchu na vstupu leží v rozmezí 1,5-3;
• Přívod kompresoru (průtok vzduchu kompresorem) - množství vzduchu procházejícího kompresorem za jednotku času (sekundu) leží v rozmezí 0,5-2 kg/s;
• Rozsah provozních otáček se pohybuje od několika stovek (u výkonných dieselových lokomotiv, průmyslových a jiných dieselových motorů) až po desítky tisíc (u moderních nucených motorů) otáček za sekundu. Maximální rychlost je omezena silou oběžného kola turbíny a kompresoru, pokud je rychlost otáčení příliš vysoká v důsledku odstředivých sil, může se kolo zhroutit.U moderních turbodmychadel se obvodové body kol mohou otáčet rychlostí 500-600 nebo více m / s, to znamená 1,5-2krát rychleji než rychlost zvuku, což způsobuje výskyt charakteristické píšťaly turbíny;
• Provozní / maximální teplota výfukových plynů na vstupu do turbíny leží v rozmezí 650-700 °C, v některých případech dosahuje 1000 °C;
• Účinnost turbíny / kompresoru je obvykle 0,7-0,8, v jedné jednotce je účinnost turbíny obvykle menší než účinnost kompresoru.
Jednotky se také liší velikostí, typem instalace, nutností použití pomocných komponent atd.
Konstrukce turbodmychadla
Obecně se turbodmychadlo skládá ze tří hlavních součástí:
1.Turbína;
2.Kompresor;
3.Ložiskové pouzdro (centrální pouzdro).
Typické schéma systému přetlakování agregátu spalovacího motoru
Turbína je jednotka, která přeměňuje kinetickou energii výfukových plynů na mechanickou energii (v točivém momentu kola), která zajišťuje činnost kompresoru.Kompresor je jednotka pro čerpání vzduchu.Ložiskové pouzdro spojuje oba agregáty do jediné konstrukce a v něm umístěný hřídel rotoru zajišťuje přenos točivého momentu z turbínového kola na kolo kompresoru.
Sekce turbodmychadla
Turbína a kompresor mají podobnou konstrukci.Základem každé z těchto jednotek je kochleární těleso, v jehož obvodové a střední části jsou potrubí pro napojení na tlakovací systém.U kompresoru je vstupní potrubí vždy uprostřed, výfuk (výtlak) je na obvodu.Stejné uspořádání potrubí u axiálních turbín, u radiálně-axiálních turbín je umístění potrubí opačné (na obvodu - sání, uprostřed - výfuk).
Uvnitř pouzdra je kolečko s čepelemi speciálního tvaru.Obě kola – turbína i kompresor – jsou držena společnou hřídelí, která prochází ložiskovou skříní.Kola jsou litá nebo kompozitová, tvar lopatek turbínového kola zajišťuje co nejefektivnější využití energie výfukových plynů, tvar lopatek kompresorového kola zajišťuje maximální odstředivý účinek.Moderní špičkové turbíny mohou používat kompozitová kola s keramickými lopatkami, která mají nízkou hmotnost a mají lepší výkon.Velikost kol turbodmychadel automobilových motorů je 50-180 mm, výkonných lokomotivních, průmyslových a jiných dieselových motorů 220-500 mm a více.
Obě tělesa jsou namontována na tělese ložiska pomocí šroubů přes těsnění.Jsou zde umístěna kluzná ložiska (méně často valivá ložiska speciální konstrukce) a O-kroužky.Také v centrální skříni jsou olejové kanály pro mazání ložisek a hřídele a u některých turbodmychadel a dutiny pláště vodního chlazení.Při instalaci je jednotka připojena k systému mazání a chlazení motoru.
V konstrukci turbodmychadla lze zajistit i různé pomocné komponenty, včetně částí systému recirkulace výfukových plynů, olejových ventilů, prvků pro zlepšení mazání dílů a jejich chlazení, regulačních ventilů atd.
Díly turbodmychadla jsou vyrobeny ze speciálních ocelí, na kolo turbíny jsou použity žáruvzdorné oceli.Materiály jsou pečlivě vybírány podle koeficientu tepelné roztažnosti, což zajišťuje spolehlivost konstrukce v různých provozních režimech.
Turbodmychadlo je součástí systému tlakování vzduchu, který zahrnuje také sací a výfukové potrubí, a ve složitějších systémech - mezichladič (chladič plnicího vzduchu), různé ventily, senzory, tlumiče a potrubí.
Princip činnosti turbodmychadla
Funkce turbodmychadla spočívá na jednoduchých principech.Turbína jednotky je zavedena do výfukového systému motoru, kompresoru - do sacího traktu.Během chodu motoru se výfukové plyny dostávají do turbíny, narážejí na lopatky kol, dávají jí část kinetické energie a způsobují její otáčení.Točivý moment z turbíny je přenášen přímo na kola kompresoru přes hřídel.Při otáčení vrhá kolo kompresoru vzduch na periferii, čímž se zvyšuje jeho tlak - tento vzduch je přiváděn do sacího potrubí.
Jedno turbodmychadlo má řadu nevýhod, z nichž hlavní je zpoždění turba nebo turbo pit.Kola jednotky mají hmotnost a určitou setrvačnost, takže se nemohou okamžitě roztočit, když se rychlost pohonné jednotky zvýší.Proto, když prudce sešlápnete plynový pedál, přeplňovaný motor okamžitě nezrychlí - dojde ke krátké pauze, výpadku proudu.Řešením tohoto problému jsou speciální systémy řízení turbín, turbodmychadla s variabilní geometrií, sériově paralelní a dvoustupňové tlakovací systémy a další.
Princip činnosti turbodmychadla
Problematika údržby a oprav turbodmychadel
Turbodmychadlo vyžaduje minimální údržbu.Hlavní věcí je včas vyměnit motorový olej a olejový filtr.Pokud může motor ještě nějakou dobu běžet na starý olej, pak se může stát pro turbodmychadlo smrtící – i mírné zhoršení kvality maziva při vysokém zatížení může vést k zaseknutí a zničení agregátu.Doporučuje se také pravidelně čistit části turbíny od uhlíkových usazenin, což vyžaduje její demontáž, ale tato práce by měla být prováděna pouze s použitím speciálních nástrojů a zařízení.
Vadné turbodmychadlo je ve většině případů jednodušší vyměnit než opravit.Pro výměnu je nutné použít jednotku stejného typu a modelu, která byla na motoru nainstalována dříve.Instalace turbodmychadla s jinými charakteristikami může narušit provoz pohonné jednotky.Je lepší důvěřovat výběru, instalaci a nastavení jednotky odborníkům - to zaručuje správné provedení práce a normální provoz motoru.Při správné výměně turbodmychadla získá motor zpět vysoký výkon a bude schopen řešit nejobtížnější úkoly.
Čas odeslání: 21. srpna 2023