Для увеличения мощности двигателей внутреннего сгорания широко используются специальные агрегаты – турбокомпрессоры.О том, что такое турбокомпрессор, каких типов бывают эти агрегаты, как они устроены и на каких принципах основана их работа, а также об их обслуживании и ремонте, читайте в статье.
Что такое турбокомпрессор?
Турбокомпрессор — основной узел агрегатной системы наддува двигателей внутреннего сгорания, агрегат повышения давления во впускном тракте двигателя за счет энергии выхлопных газов.
Турбокомпрессор служит для увеличения мощности двигателя внутреннего сгорания без радикального вмешательства в его конструкцию.Этот агрегат повышает давление во впускном тракте двигателя, обеспечивая подачу в камеры сгорания повышенного количества топливно-воздушной смеси.При этом сгорание происходит при более высокой температуре с образованием большего объема газов, что приводит к увеличению давления на поршень и, как следствие, к увеличению крутящего момента и мощностных характеристик двигателя.
Использование турбокомпрессора позволяет увеличить мощность двигателя на 20-50% при минимальном увеличении его стоимости (а при более существенных доработках прирост мощности может достигать 100-120%).Благодаря своей простоте, надежности и эффективности системы наддува на базе турбокомпрессора широко применяются на всех типах автомобилей с двигателями внутреннего сгорания.
Типы и характеристики турбокомпрессоров
Сегодня существует большое разнообразие турбокомпрессоров, но их можно разделить на группы по назначению и применимости, типу используемой турбины и дополнительному функционалу.
По назначению турбокомпрессоры можно разделить на несколько типов:
• Для одноступенчатых систем наддува – один турбокомпрессор на двигатель, либо два и более агрегата, работающих на несколько цилиндров;
•Для систем последовательной и последовательно-параллельной накачки (различные варианты Twin Turbo) – два одинаковых или разных агрегата, работающих на общей группе цилиндров;
• Для двухступенчатых систем наддува предусмотрены два турбокомпрессора с разными характеристиками, которые работают попарно (последовательно друг за другом) на одну группу цилиндров.
Наибольшее распространение получили одноступенчатые системы наддува, построенные на базе одного турбокомпрессора.Однако такая система может иметь два или четыре одинаковых агрегата – например, в V-образных двигателях для каждого ряда цилиндров используются отдельные турбокомпрессоры, в многоцилиндровых двигателях (более 8) могут использоваться четыре турбокомпрессора, каждый из которых который работает на 2, 4 и более цилиндрах.Реже встречаются двухступенчатые системы наддува и различные вариации Twin-Turbo, в них используются два турбокомпрессора с разными характеристиками, которые могут работать только в паре.
По применимости турбокомпрессоры можно разделить на несколько групп:
• По типу двигателя – для бензиновых, дизельных и газовых силовых агрегатов;
• По объему и мощности двигателя – для силовых агрегатов малой, средней и большой мощности;для высокооборотных двигателей и т.д.
Турбокомпрессоры могут быть оснащены турбиной одного из двух типов:
• Радиальный (радиально-осевой, центростремительный) – поток выхлопных газов подается на периферию рабочего колеса турбины, перемещается к его центру и выбрасывается в осевом направлении;
• Осевой – поток выхлопных газов подается вдоль оси (к центру) рабочего колеса турбины и выбрасывается с его периферии.
Сегодня используются обе схемы, но на небольших двигателях часто можно встретить турбокомпрессоры с радиально-осевой турбиной, а на мощных силовых агрегатах предпочтение отдается осевым турбинам (хотя это не правило).Независимо от типа турбины все турбокомпрессоры оснащены центробежным компрессором – в нем воздух подается в центр крыльчатки и удаляется с ее периферии.
Современные турбокомпрессоры могут иметь различный функционал:
• Двойной впуск – турбина имеет два входа, на каждый из них поступают выхлопные газы от одной группы цилиндров, такое решение снижает перепады давления в системе и повышает стабильность наддува;
• Изменяемая геометрия – турбина имеет подвижные лопатки или скользящее кольцо, посредством которого можно изменять подачу выхлопных газов на крыльчатку, это позволяет изменять характеристики турбокомпрессора в зависимости от режима работы двигателя.
Наконец, турбокомпрессоры различаются по своим основным эксплуатационным характеристикам и возможностям.Из основных характеристик этих агрегатов следует выделить:
• Степень повышения давления – отношение давления воздуха на выходе из компрессора к давлению воздуха на входе лежит в пределах 1,5-3;
• Подача компрессора (расход воздуха через компрессор) – масса воздуха, проходящего через компрессор в единицу времени (секунду), лежит в пределах 0,5-2 кг/с;
• Диапазон рабочих скоростей составляет от нескольких сотен (для мощных тепловозов, промышленных и других дизелей) до десятков тысяч (для современных форсированных двигателей) оборотов в секунду. Максимальная скорость ограничена прочностью рабочих колес турбины и компрессора, если скорость вращения слишком высока из-за центробежных сил, колесо может разрушиться.В современных турбокомпрессорах периферийные точки колес могут вращаться со скоростью 500-600 и более м/с, т. е. в 1,5-2 раза быстрее скорости звука, это вызывает возникновение характерного свиста турбины;
• Рабочая/максимальная температура выхлопных газов на входе в турбину лежит в пределах 650-700°С, в некоторых случаях достигает 1000°С;
• КПД турбины/компрессора обычно составляет 0,7-0,8, в одном агрегате КПД турбины обычно меньше КПД компрессора.
Также агрегаты различаются размерами, типом установки, необходимостью использования вспомогательных компонентов и т. д.
Конструкция турбокомпрессора
В целом турбокомпрессор состоит из трех основных компонентов:
1.Турбина;
2.Компрессор;
3.Корпус подшипника (центральный корпус).
Типовая схема системы наддува агрегатов двигателя внутреннего сгорания
Турбина – это агрегат, преобразующий кинетическую энергию выхлопных газов в механическую энергию (в крутящий момент колеса), обеспечивающую работу компрессора.Компрессор – это агрегат для перекачки воздуха.Корпус подшипника соединяет оба агрегата в единую конструкцию, а расположенный в нем вал ротора обеспечивает передачу крутящего момента от колеса турбины к колесу компрессора.
Секция турбокомпрессора
Турбина и компрессор имеют аналогичную конструкцию.Основой каждого из этих узлов является корпус улитки, в периферической и центральной частях которого расположены патрубки для подключения к системе наддува.В компрессоре впускной патрубок всегда находится в центре, выпускной (нагнетательный) — на периферии.Расположение труб у осевых турбин одинаковое, у радиально-осевых турбин расположение труб противоположное (по периферии - впускное, в центре - выпускное).
Внутри корпуса находится колесо с лопастями особой формы.Оба колеса – турбинное и компрессорное – удерживаются на общем валу, проходящем через корпус подшипника.Колеса бывают цельнолитыми или составными, форма лопаток колес турбины обеспечивает максимально эффективное использование энергии выхлопных газов, форма лопаток колес компрессора обеспечивает максимальный центробежный эффект.В современных турбинах высокого класса могут использоваться композитные колеса с керамическими лопатками, которые имеют малый вес и обладают лучшими характеристиками.Размер колес турбокомпрессоров автомобильных двигателей - 50-180 мм, мощных тепловозных, промышленных и других дизелей - 220-500 мм и более.
Оба корпуса крепятся к корпусу подшипника болтами через уплотнения.Здесь расположены подшипники скольжения (реже подшипники качения специальной конструкции) и уплотнительные кольца.Также в центральном корпусе имеются масляные каналы для смазки подшипников и вала, а в некоторых турбокомпрессорах и полость рубашки водяного охлаждения.При установке агрегат подключается к системам смазки и охлаждения двигателя.
В конструкции турбокомпрессора также могут быть предусмотрены различные вспомогательные узлы, в том числе детали системы рециркуляции отработавших газов, масляные клапаны, элементы улучшения смазки деталей и их охлаждения, регулирующие клапаны и т. д.
Детали турбокомпрессора изготавливаются из специальных марок стали, для колеса турбины используются жаропрочные стали.Материалы тщательно подбираются по коэффициенту теплового расширения, что обеспечивает надежность конструкции в различных режимах эксплуатации.
Турбокомпрессор включен в систему наддува воздуха, в состав которой также входят впускной и выпускной коллекторы, а в более сложных системах — интеркулер (радиатор охлаждения наддувочного воздуха), различные клапаны, датчики, заслонки и трубопроводы.
Принцип работы турбокомпрессора
Функционирование турбокомпрессора сводится к простым принципам.Турбина агрегата выведена в выхлопную систему двигателя, компрессор – во впускной тракт.Во время работы двигателя выхлопные газы попадают в турбину, ударяются о лопасти колеса, отдавая ему часть своей кинетической энергии и заставляя его вращаться.Крутящий момент от турбины напрямую передается на колеса компрессора через вал.При вращении колесо компрессора выбрасывает воздух на периферию, увеличивая его давление – этот воздух подается во впускной коллектор.
Одиночный турбокомпрессор имеет ряд недостатков, главным из которых является турбозадержка или турбояма.Колеса агрегата обладают массой и некоторой инерцией, поэтому не могут моментально раскрутиться при увеличении скорости силового агрегата.Поэтому при резком нажатии на педаль газа турбированный двигатель не разгоняется сразу – возникает небольшая пауза, провал мощности.Решением этой проблемы являются специальные системы управления турбинами, турбокомпрессоры с изменяемой геометрией, последовательно-параллельные и двухступенчатые системы наддува и другие.
Принцип работы турбокомпрессора
Вопросы обслуживания и ремонта турбокомпрессоров.
Турбокомпрессор требует минимального обслуживания.Главное – вовремя менять моторное масло и масляный фильтр.Если двигатель еще какое-то время сможет работать на старом масле, то это может стать губительным для турбокомпрессора – даже незначительное ухудшение качества смазки при высоких нагрузках может привести к заклиниванию и разрушению агрегата.Также рекомендуется периодически очищать детали турбины от нагара, что требует ее разборки, но эту работу следует выполнять только с применением специального инструмента и оборудования.
Неисправный турбокомпрессор в большинстве случаев проще заменить, чем ремонтировать.Для замены необходимо использовать агрегат того же типа и модели, который был установлен на двигатель ранее.Установка турбокомпрессора с другими характеристиками может нарушить работу силового агрегата.Подбор, установку и регулировку агрегата лучше доверить специалистам – это гарантирует правильное выполнение работ и нормальную работу двигателя.При правильной замене турбокомпрессора двигатель вновь обретет высокую мощность и сможет решать самые сложные задачи.
Время публикации: 21 августа 2023 г.