Принцип работы VNT-турбины

Рассматривая принцип работы турбонаддува, мы затронули проблемы, ограничивающие эффективность газовых турбокомпрессоров. Турбина с изменяемой геометрией позволяет расширить зону действия турбонаддува и сделать двигатель более приемистым. Поговорим не только об устройстве системы, но и о симптомах неисправности клапана управления, чистке и регулировке VNT-турбонагнетателей.

Работа турбокомпрессора автомобиля (турбонагнетателя двигателя)

Схема турбонагнетателя

Тремя основными элементами, содержащимися в конструкции турбокомпрессора являются: центробежный компрессор, турбина и центральный корпус. Кинетическая энергия отработанных газов под воздействием турбины преобразуется во вращательное движение компрессора. Также турбина соединяет турбинное колесо, помещённое в специальный корпус в форме улитки.

Поступая в улитку, отработавшие газы перемещаются по каналу, а затем попадают на лопасти турбинного колеса. Затем оно набирает скорость в пределах 250 000 оборотов в минуту. Вал, к которому приварено турбинное колесо, передаёт на колесо компрессора энергию, которая придаёт его вращению. Лопасти турбинного колеса становятся проводниками отработавших газов, которые затем покидают турбину через отверстие в центре турбокомпрессора и выходят в выпускную систему.

Составляющие турбины изготавливаются из жароустойчивых металлов, так как внутри турбокомпрессора достигается невероятная температура. В состав турбинного колеса входит железоникелевый сплав, а в состав центрального корпуса — жаропрочная сталь.

От формы и размера турбины напрямую зависит производительность турбокомпрессора. Больший размер турбины увеличивает производительность компрессора. Значительный прирост мощности наблюдается в турбинах большего размера, потому что они могут использовать большее давление отработавших газов. 

Однако в таких турбокомпрессорах, на низких оборотах, значительна вероятность возникновения турбоямы. Номинальная скорость достигается гораздо быстрее при использовании турбокомпрессора меньшего размера, но они показывают меньшую производительность.

Перепускной клапан устанавливается в корпус турбины для управления уровнем давления наддува. Регулировка клапана производится при помощи системы управления двигателем. Клапан оснащён пневматическим приводом.

Вал располагается в центральном корпусе. Это позволяет ему достигать максимальной скорости вращения при минимальном трении. Вращение происходит в одном или двух подшипниках. Для этой цели подойдут различные конструкции подшипников скольжения. Шарикоподшипники используются редко.

Система смазки двигателя обеспечивает полную смазку подшипников и вала. Промеж корпусом и подшипником имеется много пропускных каналов, через которые протекает масло. Помимо функции смазки, масло оказывает охлаждающий эффект на нагретые детали. Лучше всего охлаждение происходит в двигателях с искровым зажиганием, в которых центральный корпус турбины входит в систему охлаждения двигателя.

Дополнительный объем давления во впускной системе создаётся при воздействии центробежного компрессора. Его конструкция похожа на аналогичные механические нагнетатели. Составляющими центробежного компрессора являются корпус и компрессорное колесо. В ЦК (центробежный компрессор) поток воздуха проходит путь от центра колеса до корпуса. Резкое понижение скорости потока воздуха позволяет преобразовать его кинетическую энергию в давление. Впускной коллектор пропускает сжатые потоки воздуха в двигатель. При изготовлении компрессорного колеса и корпуса используется алюминий.

Рекомендуем:  Классификация кузовов автомобилей

Для снижения последствий турбоямы и повышения производительности, конструкция турбокомпрессора постоянно совершенствуется. Наиболее востребованными техническими решениями являются — постоянная модернизация конструкции турбокомпрессора позволяет уменьшить последствия турбоямы и повысить его производительность. Ниже можно посмотреть список самых эффективных способов модернизации:

  1. При использовании прочных и лёгких материалов достигается значительное снижение массы турбины. Например, керамики.
  2. Установка новых подшипников с пониженным уровнем трения.
  3. Раздельный турбокомпрессор
  4. Турбина с изменяемой геометрией

Поговорим подробнее о последних двух пунктах этого списка.

Устройство системы турбонаддува

На практике турбонаддув применяется как на моторах, использующих дизельное топливо, так и на бензиновых. Однако наиболее часто эта система встречается именно на дизельном двигателе, поскольку для них характерна высокая степень сжатия, меньшая температура выхлопа и низкие обороты коленчатого вала. Более высокая степень сжатия обеспечивает повышение мощности турбированного двигателя и увеличивает его КПД.

В бензиновых моторах температура отработавших газов выше, что может спровоцировать эффект детонации, приводящий к быстрому износу поршневой группы. Для предотвращения этого явления необходимо использовать бензин с более высоким октановым числом, что не всегда является экономически выгодным.

Принцип работы турбины

Система турбонаддува состоит из следующих элементов:

  • Воздухозаборник;
  • Воздушный фильтр;
  • Перепускной клапан — регулирует подачу отработавших газов;
  • Дроссельная заслонка — регулирует подачу воздуха на впуске;
  • Турбокомпрессор — повышает давление воздуха во впускной системе. Состоит из турбинного и компрессорного колес;
  • Интеркулер — охлаждает воздух, способствуя лучшему наполнению цилиндров и снижению вероятности детонации;
  • Датчики давления — фиксирует давление наддува в системе;
  • Впускной коллектор — распределяет воздух по цилиндрам;
  • Соединительные патрубки — необходимы для крепления элементов системы между собой.

Устройство VNT-турбины

На рисунке изображена турбина с изменяемой геометрией, устанавливаемая на автомобили Volkswagen, Skoda. Общее устройство турбокомпрессора и принцип нагнетания дополнительного воздуха не отличается от обычных турбокомпрессоров. Основная особенность в поворотных лопатках, механизме управления и вакуумном приводе.

Принцип работы

Поворотные лопатки вращаются на осях, установленных в опорном кольце. К оси каждой лопатки прикреплены тяги управления, которые при монтаже входят в зацепление с регулировочным кольцом. Направляющий рычаг соединяет регулировочное кольцо с рычагом тяги управления и осью вакуумного привода поворотных лопаток.

При изменении положения оси вакуумного привода регулировочное кольцо проворачивается на определенный угол. За счет этого происходит поворот оси лопаток в опорном кольце. Они синхронно меняют свое положение, изменяя тем самым сечение для потока выхлопных газов.

Принцип работы турбины с изменяемой геометрией основывается на регулировании потока отработавших газов, направляемых на колесо турбины. Регулировка позволяет подстраивать проходное сечение для потока отработавших газов под режим работы двигателя.

Как изменяется давление наддува?

Когда мы рассматривали принцип работы системы изменяемой геометрии впускного коллектора, то говорили о зависимости скорости потока газов от проходного сечения канала. При одинаковом давлении скорость потока газа будет выше в канале с суженым сечением.

Для быстрого выхода турбины в зону эффективной работы на низких оборотах двигателя необходимо высокое давление наддува. В таком режиме работы лопатки уменьшают сечение канала, по которому отработанные газы движутся к крыльчатке турбины. В итоге повышается давление наддува.

Рекомендуем:  Устройство автомобильного стартера

В зоне высоких оборотов двигателя увеличивается объем выхлопных газов. Небольшое сечение канал приведет к чрезмерному подпору выхлопных газов, что приведет к плохому наполнению цилиндров свежим зарядом ТПВС.

Поэтому с повышением оборотов двигателя лопатки меняют свое положение, увеличивая сечение для прохождения выхлопных газов.

Принцип работы изменяемой геометрии позволяет отказаться от перепускного клапана (wastegate). Через крыльчатку «горячей» части проходит весь поток выхлопных газов. Предотвращение избыточного наддува осуществляется изменением положения поворотных лопаток.

Система в разрезе

  1. Лопатки расположены перпендикулярно радиальным линиям, что равняется узкому сечению для потока выхлопных газов. Обеспечивается быстрое нарастание наддува и прибавка крутящего момента в зоне низких оборотов двигателя.
  2. Ступенчатое расположение лопаток – большое сечение для потока выхлопных газов. Этот же режим используется в качестве аварийного, когда система самодиагностики регистрирует некорректную работу системы, отсутствует питание на электромагнитном клапане.

Управление геометрией

Изменение геометрии турбины осуществляется блоком управления двигателем. Принцип работы рассмотренной выше системы предполагает наличие электромагнитного клапана управления наддувом. Управляется клапан ШИМ-сигналом. Изменяя скважность сигнала, ЭБУ двигателя устанавливает необходимое разряжение в вакуумной среде привода поворотных лопаток. При таком управлении ЭБУ может плавно и точно управлять регулировочным кольцом, что обеспечивает эффективное сгорание ТПВС на всех режимах работы двигателя.

Когда электромагнитный клапан обесточен, в вакуумной среде атмосферное давление, лопатки установлены в ступенчатом положении. Для плавной регулировки давления наддува ЭБУ постоянно опрашивает датчиковую аппаратуру двигателя.

Принципиальное отличие

Автомобильные газовые турбины всех типов имеют 3 режима работы:

  • выход в рабочую зону. Раскручивающийся вал турбины создает сопротивление потоку выхлопных газов, что снижает наполняемость цилиндров и, как следствие, КПД двигателя. Именно с режимом раскручивания турбинного колеса водители связывают явление «турбоямы»;
  • зона эффективной работы. При достижении рабочей зоны скорость вращения компрессорного колеса позволяет нагнетать в цилиндры большее количество воздуха, что ощущается прибавкой в крутящем моменте;
  • зона оверспина (от англ. overspinning – избыточное вращение). Устройство турбокомпрессора предполагает зоны эффективности. Конструкция двигателя также рассчитывается на определенную величину наддува. Если скорость потока выхлопных газов превысит зону оптимальной эффективности и расчетную величину наддува, дальнейшее использование турбонаддува только снизит КПД двигателя. Также превышение расчетной скорости вращения крыльчатки ведет к срыву потока воздуха. Поэтому устройство большинства турбин предполагает наличие клапана Последний на определенных оборотах двигателя пускает поток выхлопных газов в обход турбинного колеса.

Устройство турбины с фиксированной геометрией – это всегда компромисс между скоростью выхода в зону эффективности, величиной наддува и границей пиковой мощности. На эти параметры влияет диаметр каналов для движения газов, соотношение площади индюсера и эксдюсера, Area/Radius хаузинга, конструкция клапана wastegate, blow-off. Но из-за того, что характеристики турбины закладываются еще на стадии проектирования, ее рабочая зона довольно узкая.

Преимущества

  • Активное изменение сечения канала «горячей» части турбины позволяет расширить зону ее эффективной работы. Авто с изменяемой геометрией турбонаддува могут выдавать большую мощность уже с самих низких оборотов.
  • Уменьшенный подпор выходу выхлопных газов на высоких оборотах. Из-за отсутствующего клапана wastegate в «горячей» части уменьшается количество разнонаправленных потоков газов, что улучшает прохождение газов через турбину.
  • Улучшение эластичности двигателя.
  • Снижение расхода топлива и количества вредных выбросов в атмосферу.
Рекомендуем:  Зависимость плотности аккумулятора от факторов

Возможные неисправности

Усложнение конструкции турбины неминуемо приводит к увеличению риска поломки. Но в случае с работой изменяемой геометрии ситуация не так плоха, как может показаться. У механизма лишь несколько основных проблем:

  • движение лопаток с подклиниванием. Происходит из-за критического износа трущихся пар и при нагарообразовании. Углеродистые и масляные отложения препятствуют плавному перемещению регулировочного кольца;
  • заклинивание лопаток в одном из положений. Из-за критического нагарообразования силы вакуума недостаточно для перемещения регулировочного кольца;
  • неисправность вакуумного привода поворотных лопаток, клапана управления давлением турбонаддува.

Среди основных симптомов поломки – подергивания при разгоне, потеря мощности двигателя, увеличение расхода топлива и появление на панели приборов индикации Check Engine.

Немного о турбокомпрессоре

Турбокомпрессор или его ещё называют «газотурбинный нагнетатель» (Centrifugal compressors или очень популярно называть «Turbocharger») — это осевой или центробежный компрессор, что функционирует вместе с турбиной. Это конструктивный основной элемент в автомобилях с газотурбированными двигателями.

Давление во впускной системе можно повысить при помощи установки турбокомпрессора, использующего энергию отработавших газов. При его использовании масса воздуха, имеющегося в камерах сгорания, увеличивается. Механический нагнетатель не так эффективен, как турбированный компрессор газов, потому что мощность двигателя не используется для привода.

Тем не менее, после установки центробежной турбины некоторые потери мощности неизбежны. Отработавшие газы из цилиндров не находят выхода, так как турбина преграждает их путь наружу. На двигатель приходится большая нагрузка по очистке цилиндров, вследствие того, что в выпускном тракте создаётся огромное давление. На эту задачу тратится некоторая часть мощности двигателя авто. Конечно, эта потеря ничтожна в сравнении с приростом мощности двигателя объёмом в 30–40%!

После установки центробежной турбины, можно столкнуться с ещё одной проблемой, которая в обиходе называется турбояма. Выходная мощность двигателя изменяется с отставанием от смены давления отработавших газов. Главными факторами, из-за которых образуется турбояма, являются силы трения, инерционность и нагрузка турбины.

Схема турбины с изменяемой геометрией (VNT)

Она также известна под названием – трубина с переменным соплом. Данный тип турбины используется в дизельных двигателях. Девять подвижных лопастей, установленных в турбокомпрессоре, регулируют прохождение потока газов к турбине. Увеличение и блокировка потока газов достигается при помощи привода, регулирующего угол наклона девяти лопастей. Скорость потока газов и давление нагнетаемого воздуха согласуются с количеством оборотов двигателя во время изменения угла наклона лопастей. 

Следует напомнить о том, что некоторые двигатели используют несколько турбокомпрессоров. Возможно использование двух (Твин Турбо), трех или же четырёх. В таких конструкциях они устанавливаются последовательно. Первый используется при низких оборотах, а второй — при высоких. Также существует схема установки компрессоров, при которой они располагаются параллельно друг другу. Она используется на V-образных двигателях. На каждый ряд цилиндров приходится по компрессору. Бытует мнение, что один большой турбокомпрессор менее производителен, чем два маленьких.

Понравилась статья? Поделиться с друзьями:
Добавить комментарий

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: