Из чего состоит турбина на дизеле

Устройство турбины дизельного двигателя

  • 1 Принцип работы и конструкция дизельного турбонагнетателя
  • 2 Устройство турбины
  • 3 Устройство компрессора
  • 4 Ось турбокомпрессора
  • 5 Турбояма и турбоподхват

Турбокомпрессор является решением, которое устанавливается как на бензиновый, так и практический на каждый современный дизельный двигатель автомобиля. Моторы с турбонаддувом в обиходе называются турбодизелями. Указанный компрессор представляет собой своеобразный насос для воздуха, который приводится в действие турбиной. Турбину дизельного двигателя вращает энергия выхлопных газов.

Рекомендуем также прочитать статью об устройстве топливного фильтра дизельного двигателя. Из этой статьи вы узнаете о том, как происходит очистка солярки в моторах данного типа.

Главной задачей устройства является нагнетание воздуха в цилиндры дизельного ДВС под давлением. Чем больше воздуха поступит в камеру сгорания, тем большее количество солярки дизель сможет сжечь. Результатом становится значительное увеличение мощности двигателя без необходимости физически увеличивать объем цилиндров.

Принцип работы и конструкция дизельного турбонагнетателя

Турбокомпрессор дизельного двигателя состоит из двух колес: турбинного и компрессорного. Данные колеса еще могут называться крыльчаткой. Крыльчатка турбины напрямую и жестко соединена с компрессорным колесом посредством оси. Устройство нагнетателя можно разделить на главные составные части:

  • корпус компрессора (1);
  • компрессорное колесо (2);
  • вал ротора или ось (3);
  • корпус турбины (4),
  • турбинное колесо(5);
  • корпус подшипников;

Устройство турбины

Турбина имеет в основе ротор (крыльчатку), который закреплен на оси и заключен в специальный корпус. Постоянный контакт всех элементов турбины с раскаленными газами обуславливает необходимость изготовления ротора и корпуса турбины из особых жаропрочных материалов.

Крыльчатка и ось вращаются в противоположных направлениях с высокой частотой, в результате чего осуществляется плотный прижим одного элемента к другому. Поток отработавших газов проникает в выпускной коллектор, после чего оказывается в специальном канале. Данный канал находится в корпусе турбонагнетателя. Корпус имеет своеобразную форму-улитку. После прохождения улитки, отработавшие газы разгоняются и подаются на ротор. Так осуществляется вращение турбины.

Конструкция устройства может отличаться на разных типах дизельных двигателей. Главным отличием выступает разное количество каналов для движения выхлопных газов в корпусе. Также могут дополнительно присутствовать решения, которые позволяют управлять потоком отработавших газов внутри корпуса (турбина с изменяемой геометрией) и т.п.

Устройство компрессора

Компрессор имеет корпус и колесо (ротор). Корпус компрессора алюминиевый. Ротор крепится на оси турбины аналогично крыльчатке. Колесо компрессора имеет лопасти, материалом изготовления которых также является алюминий. Задачей компрессорного колеса становится забор воздуха, который проходит через его центр.

Форма лопастей заставляет воздух отбрасываться к стенкам корпуса компрессора, благодаря чему происходит его сжатие. Далее поток сжатого воздуха подается во впускной коллектор двигателя.

Ось турбокомпрессора

Ось является центральной частью турбонагнетателя и закреплена внутри корпуса на подшипниках скольжения. Смазка оси реализована при помощи подачи моторного масла из системы смазки двигателя. С обеих сторон устанавливаются специальные уплотнительные кольца и прокладки.

Данные элементы препятствуют обильным утечкам масла, чтобы смазка не попадала в область нахождения компрессора и турбины. Сами масляные уплотнения не обеспечивают полной герметичности. Данные решения являются уплотнителями, которые функционируют благодаря разнице давлений, которые возникают в процессе работы турбокомпрессора.

Также уплотнения минимизируют прорыв воздуха из компрессора и газов из турбины в корпус оси. Стоит отметить, что полностью исключить попадание выхлопа и сжатого компрессором воздуха не удается. Излишки удаляются по сливному маслопроводу вместе с маслом и оказываются в картере дизельного двигателя.

Рекомендуем также прочитать статью об интервалах замены моторного масла в дизельном двигателе. Из этой статьи вы узнаете о том, почему на моторах данного типа нужно чаще менять масло сравнительно с бензиновыми агрегатами.

Турбояма и турбоподхват

Крыльчатка турбины и компрессорное колесо закреплены на одной общей оси. По этой причине наблюдается определенная зависимость, которая заключается в увеличении подачи воздуха компрессором только с ростом оборотов турбины. Специалисты выделяют понятие турбоямы (турболаг), что означает задержку прироста мощности дизеля при резком нажатии на акселератор.

Турбояма возникает в результате инерционности всей системы турбонаддува. Дело в том, что для раскручивания турбинного колеса поступающими на крыльчатку выхлопными газами нужно определенное время. Турбоподхват является резким увеличением оборотов ДВС, который возникает следом за турбоямой.

Крыльчатка турбины раскручивается выхлопными газами для создания эффективного давление наддува турбокомпрессором. При определенных условиях турбина может вращаться с очень большой частотой, что зависит от конструктивных особенностей корпуса устройства и интенсивности потока отработавших газов.

Из чего состоит турбина на дизеле

Дизельный двигатель, относящийся к категории двигателей внутреннего сгорания, был изобретён в феврале месяце 1893 года в Германии инженером Рудольфом Дизелем.

С момента изобретения двигатель постоянно усовершенствовался, менялись виды топлива, способы его подачи, баланс топливной смеси и т.д.

Собранные по классической схеме двигатели, используют принцип превышения атмосферного давления над давлением, создающимся в цилиндре в момент движения поршня к нижней мёртвой точке. Однако за счёт незначительного времени затраченного на выполнения этого действия и небольшого перечного сечения воздухоподводящего канала поступающего воздуха недостаточно для полного сгорания топливной смеси.

Позже на Родине Рудольфа Дизеля нашли способ решения данной проблемы. Воздух в цилиндры должен подаваться под избыточным давлением! Это основной принцип работы турбины на дизельном двигателе

Для этой цели было разработано специальное устройство, совмещающее в себе свойства вентилятора и компрессора. Это устройство приводилось в движение непосредственно от коленчатого вала двигателя, что снижало коэффициент полезного действия всей конструкции в целом.

Следующим усовершенствованием системы подачи воздуха стала установка в качестве привода для компрессора специальной турбины, которая приводилась во вращение за счёт использования энергии потока использованных выхлопных газов. Однако при работе двигателя на малых оборотах, воздуха подаваемого в цилиндры компрессором было недостаточно для полноценной работы дизеля. Вскоре и этот вопрос был решён путём установки двух турбин различного диаметра и приводимых во вращение выхлопными газами, забираемыми из разных частей выпускного тракта. Турбина меньшего диаметра разгонялась быстрее и обеспечивала работу двигателя на малых оборотах, а большая турбина работала при больших оборотах двигателя, что качественно изменило принципы работы турбины на дизельном двигателе.

В настоящее время устройства, предназначенные для подачи воздуха в цилиндры дизельного двигателя под избыточным давлением, называются турбокомпрессорами, а сам процесс подачи турбонаддувом.

Современный турбокомпрессор состоит из следующих составных частей:

  • Двух кожухов, в каждом из которых соответственно находятся компрессор и турбина, кожух сделан из жаропрочного чугуна, колесо турбины из жаропрочного сплава;
  • Корпуса подшипников, через который проходит, закреплённый на подшипниках скольжения отлитых из специальной бронзы, вал соединяющий колесо компрессора и ротор турбины;
  • Подшипников, выполняющих роль внутренней опоры для всей конструкции. Турбина и компрессор застопорены упорным подшипником и жестко соединены непосредственно с осью;
  • Для защиты турбокомпрессора от попадания посторонних предметов, входное отверстие для воздуха защищено стальной сеткой

Работает турбокомпрессор следующим образом. Выхлопные газы отводимые от выпускного коллектора дизеля направляются в приемный патрубок турбокомпрессора. Проходят по каналу корпуса турбины, который постепенно уменьшается в сечении, а газы увеличивают скорость и воздействуя на ротор заставляют вращаться турбину. Число оборотов турбины зависит от многих факторов: конфигурации канала, его формы, сечения и т.д. Турбина вращается со скоростью около1500 об/сек, её размеры подбираются в зависимости от типа двигателя.

Наружный воздух, проходя через фильтрующий элемент, очищается от пыли и других посторонних примесей и в сжатом состоянии попадает во впускной коллектор дизеля. После этого происходит закрытие впускного канала, дополнительное сжатие топливной смеси и её воспламенение. В завершении рабочего цикла открывается выпускной коллектор.

Поскольку уходящие выхлопные газы имеют температуру около 800° – 900° С, турбокомпрессор имеет систему охлаждения, радиатором которой является корпус подшипника. Изготавливаемый из сплавов алюминия корпус снабжен штуцерами, через которые подводится холодное масло и отводится нагретое в процессе работы турбокомпрессора.

При работе турбокомпрессора, за счёт сжатия и увеличения внутренней силы трения воздух, нагнетаемый в цилиндры дизеля подогревается до температуры около 170°С. Во время охлаждения воздух «сгущается», то есть увеличивается, его плотность и соответственно взрастает, объём подаваемого воздуха. Подача в двигатель охлаждённого воздуха положительно влияет на повышение мощности дизеля, что в свою очередь снижает потребление топлива, уменьшает отрицательное воздействие на окружающую среду.

Турбокомпрессорные двигатели имеют перед обычными двигателями определённые преимущества:

  • При одних и тех же энергозатратах расход топлива меньше, поскольку часть энергии выхлопных газов, раскручивая турбокомпрессор, подавая большее количество воздуха в цилиндры двигателя, увеличивает его мощность.
  • Двигатели с турбокомпрессорами имеют меньший наружный объём и соответственно меньшие потери нагрева.
  • За счёт относительно небольшого веса на 1Л.С. мощности снижается расход металла на сам двигатель и конструкцию, на которой он установлен.
  • Также меньше объём отсека, в который может быть установлен турбодвигатель.
  • За счёт малого числа оборотов при номинальной мощности турбодвигатели обладают лучшими нагрузочными характеристиками.
  • В условиях разряженного воздуха, за счёт высокого давления развиваемого турбокомпрессором и низкого внешнего давления турбодвигатель имеет огромные преимущества в сравнении с обычным двигателем, поскольку мощность его практически не теряется.
  • турбодвигатель за счёт малых размеров имеет меньшую звукоизлучающую поверхность, а турбокомпрессор работает как дополнительный глушитель.

Имеет турбонаддув и свои недостатки – это заметная задержка набора мощности при резком нажатии на педаль акселератора. Такое случается в связи с тем, что отсутствует механическая связь коленчатого вала и турбины Мощность начинает расти, когда турбина раскрутится выхлопными газами. Хотя подобное явление в той или иной степени наблюдается у любого двигателя.

Основное применение дизельные двигатели с турбонаддувом нашли на автомобилях большой грузоподъёмности, работающих с полной нагрузкой.

Принцип работы дизельной турбины

Турбокомпрессор — это компрессор, или воздушный насос, который приводится в работу от турбины. Турбина вращается за счет использования энергии потока отработанных газов. Частота вращения турбокомпрессора дизельного двигателя находится в пределах от 1 000 до 130 000 об/мин (это значит, что лопатки турбины разгоняются почти до линейной скорости звука).

Турбина непосредственно соединяется с компрессором жесткой осью. Компрессор засасывает через воздушный фильтр свежий воздух, сжимает его и затем под давлением подает во впускной коллектор двигателя.
Чем больше воздуха подается в цилиндры, тем больше топлива может сгореть, а это повышает мощность двигателя.

Теоретически существует равновесие мощностей между турбиной и компрессором турбокомпрессора. Чем большую энергию имеют отработанные газы, тем быстрее будет вращаться турбина.
Как следствие, компрессор тоже будет вращаться быстрее.

1. Всасываемый воздух
2. Ротор компрессора
3. Сжатый воздух
4. Вход отработавших газы
5. Ротор турбины
6. Выход отработавших газов

Турбина

Турбина состоит из корпуса и ротора Отработанные газы из выпускного коллектора двигателя попадают в приемный патрубок турбокомпрессора. Проходя по сужающемуся внутреннему каналу корпуса турбины, они ускоряются, и минуя «улитку» направляются к ротору турбины, который приводят во вращение.

Скорость вращения турбины определяется размером и формой канала в ее корпусе.

Корпусы турбин значительно различаются в зависимости от сферы применения. Корпус турбины двигателя грузовика может быть разделен на два параллельных канала, поэтому на ротор воздействуют два потока отработанных газов.

В турбокомпрессоры с большим объемом часто устанавливают дополнительное кольцо с направляющими лопатками. Оно облегчает создание постоянного потока отработанных газов на роторе турбины и делает возможным регулировку потока.

Корпус турбины и ротор отливаются из сплава с высокой термостойкостью.

На оси жестко крепится ротор турбины. Материал оси отличается от материала, используемого для ротора турбины.
Сборка этого соединения осуществляется следующим способом:

Ось и ротор, вращающиеся в противоположных направлениях на очень большой скорости, прижимают друг к другу.

Выделяющееся при трении тепло сплавляет их друг с другом, образуя неразъемное соединение.

Ось в месте соединения пустотелая. Эта пустота затрудняет передачу тепла от ротора турбины к ее оси. На оси со стороны турбины имеется углубление, в котором располагается уплотнительное кольцо.

Рабочая поверхность радиальных подшипников упрочняется и полируется.

На более тонкий конец оси устанавливается ротор компрессора; там имеется резьба, на которую навинчивается предохранительная гайка для закрепления ротора.

После того, как ось изготовлена, она должна быть отбалансирована с максимально возможной точностью, прежде чем она будет установлена в корпус.

Компрессор

Компрессор состоит из корпуса и ротора
Размеры компрессора определяются количеством воздуха, требуемого для двигателя, и скоростью вращения турбины. Ротор компрессора жестко закреплен на оси турбины и, следовательно, вращается с той же скоростью, что и ротор турбины.

Лопатки ротора компрессора, изготавливаемые из алюминия, имеют такую форму, что воздух засасывается через центр ротора. Всасываемый таким образом воздух направляется к периферии ротора и при помощи лопаток отбрасывается на стенку корпуса компрессора.
Благодаря этому воздух сжимается и через впускной коллектор попадает в двигатель.
Корпус компрессора также изготовлен из алюминия.

Корпус подшипников

Смазка турбокомпрессора производится от системы смазки двигателя:

  • Корпус оси образует центральную часть турбокомпрессора, расположенную между турбиной и компрессором
  • Ось вращается в подшипниках скольжения
  • Моторное масло по каналам проходит между корпусом и подшипниками, а также между подшипниками и осью

    Примечание: В настоящее время появились конструкции, в которых подшипник неподвижен, а ось вращается в масляной ванне. В таких конструкциях масло не только служит для смазки оси, но и охлаждает подшипники с корпусом.

    Для уплотнения турбокомпрессора с двух сторон устанавливаются маслоотражательные прокладки и уплотнительные кольца. Но, несмотря на то, что эти кольца помогают избежать утечек масла, они в действительности не являются уплотнительными прокладками. Их нужно рассматривать как элемент, затрудняющий утечку воздуха и газов между турбиной, компрессором и корпусом оси.

    В обычном режиме работы турбокомпрессора давление в турбине и компрессоре больше давления в корпусе оси.
    Часть газов из турбины и часть воздуха, сжатого в компрессоре, попадают в корпус оси и вместе с моторным маслом по сливному маслопроводу проходят в масляный картер двигателя.

    Все масляные уплотнения динамического типа, т.е. работают на принципе разности давлений:

  • Уплотнительное кольцо вращается с той же скоростью, что и ось. Благодаря имеющимся в нем трем отверстиям создается противодавление маслу
  • Внутренняя часть корпуса оси на уровне кольца имеет сложную герметическую форму для предотвращения просачивания масла к компрессору

    Устройство и принцип работы турбины

    by admin · Апрель 1, 2010

    Турбина (турбокомпрессор) стала определяющим агрегатом в деле увеличения мощности моторов.

    Что такое турбина и для чего она нужна?

    Турбина — устройство в автомобиле, которое направлено на увеличение давления во впускном коллекторе автомобиля для того, чтобы обеспечить большее поступление воздуха, а значит и кислорода, в камеру сгорания.
    Главное назначение турбины – с ее помощью можно значительно увеличить мощность автомобиля. При увеличении давления во впускном коллекторе на 1 атмосферу в камеру сгорания попадет в два раза больше кислорода, а значит от небольшого турбового двигателя можно ожидать мощности как от атмосферника с объемом в два раза больше — грубая теоретическая арифметика не лишенная смысла…

    Принцип работы турбокомпрессора

    Принцип работы турбины несложен: горячие выхлопные газы через выпускной коллектор поступают в горячую часть турбины, проходят через крыльчатку горячей части приводя ее и вал на который она крепится в движение. На этом же вале закреплена крыльчатка самого компрессора в холодной части турбины, эта крыльчатка при вращении создает давление во впускном тракте и впускном коллекторе, что обеспечивает большее поступление воздуха в камеру сгорания.

    Устройство турбины

    Турбина состоит из двух улиток — улитки компрессора, через которую всасывается воздух и нагнетается во впускной коллектор, и улитки горячей части, через которую проходят выхлопные газы вращая колесо турбины и выходят в выхлопной тракт. Из крыльчатки компрессора и крыльчатки горячей части. Из шарикоподшипникового картриджа. Из корпуса, который соединяет обе улитки, держит подшипники, так же в корпусе находится охлаждающий контур.

    В процессе работы турбина подвергается очень большим термодинамическим нагрузкам. В горячую часть турбины попадают выхлопные газы очень большой температуры 800-9000 °С, поэтому корпус турбины изготавливают из чугуна особого состава и особого способа отливки.

    Частота вращения вала турбины достигает 200 000 об/мин и более, поэтому изготовление деталей требует большой точности, подгонки и балансировки. Помимо этого в турбине высокие требования к используемым смазочным материалам. В некоторых турбинах система смазки служит так е системой охлаждения подшипниковой части турбины.

    Система охлаждения турбин

    Система охлаждения турбин двигателя служит для улучшения теплоотдачи частей и механизмов турбокомпрессора.
    Существует два самых распространенных способа охлаждения деталей турбокомпрессора — охлаждение маслом, которое используется для смазки подшипников и комплексное охлаждение маслом и антифризом из общей системы охлаждения автомобилем.

    Оба способа имеют ряд преимуществ и недостатков.
    Охлаждение маслом.
    Преимущества:

    • Более простая конструкция
    • Меньшая стоимость изготовления самой турбины
    • Меньшая эффективность охлаждения по сравнению с комплексной системой
    • Более требовательна к качеству масла и к его более частой смене
    • Более требовательна к контролю за температурным режимом масла

    Изначально, большинство серийных двигателей с турбонаддувом оснащались тубинами с масляным охлаждением. При прохождении через шарикоподшипниковую часть масло сильно нагревалось. Тогда, когда температура выходила за пределы нормального рабочего температурного диапазона, масло начинало закипать, коксоваться забивая каналы и ограничивая доступ смазки и охлаждения к подшипникам. Это приводило к быстрому износу, заклиниванию и дорогостоящему ремонту. Причин у неполадки могло быть несколько — некачественной масло или не рекомендованное для данного типа двигателей, превышение рекомендованы сроков замены масла, неисправности в системе смазки двигателя и пр.

    Комплексное охлаждение маслом и антифризом
    Преимущества:

    • Большая эффективность охлаждения
    • Более сложная конструкция самого турбокомпрессора, как следствие большая стоимость

    При охлаждении турбины маслом и антифризом повышается эффективность и такие проблемы, как закипание и коксование масла, практически не встречаются. Но данная систем охлаждения имеет более сложную конструкцию т.к. имеет раздельные масляный контур и контур охлаждающей жидкости. Масло как и прежде служит для смазки подшипников и для охлаждения, а антифриз, который используется из общей системы охлаждения двигателя, не дает перегреться и закипеть маслу. Как следствие увеличивается стоимость самой конструкции.

    При работе турбины воздух под действием компрессора сжимается и, как следствие, очень сильно греется, что приводит к нежелательным последствиям т.к. чем выше температура воздуха, тем меньшее количество кислорода в нем содержится — тем меньше эффективность наддува. С этим явлением призван бороться интеркулер — промежуточный охладитель воздуха.

    Нагрев воздуха не единственная проблема, с которой пытаются справиться конструкторы при проектировании турбодвигателя. Насущной проблемой является инерционность турбины (лаг турбины, турбояма) — задержка в реакции мотора на открытие дроссельной заслонки. Турбина выходит на пик своих возможностей при определенных оборотах двигателя, отсюда и появилось мнение, что турбина включается при определенных оборотах. Турбина в большинстве случаев, работает всегда, а значение оборотов при которых ее эффективность максимальная у каждого двигателя и у каждой турбины разные. В погоне за решением этой проблемы появились системы их двух турбин (твин-турбо, twin-turbo, би-турбо, biturbo), твин-скрол (twin-scroll) турбины, турбины с изменяемой геометрией сопла и изменяемым углом наклона крыльчатки (VGT), изменяются материалы частей чтобы повысить прочность и увеличить вес (керамические лопатки крыльчатки) и пр.

    Twin-turbo (твин-турбо) — система при которой используются две одинаковые турбины. Задача данной системы повысить объем или давление поступающего воздуха. Используется когда необходима максимальная мощность на высоких оборотах, например в драг-рейсинге. Такая система реализована на легендарном японском автомобиле Nissan Skyline Gt-R с двигателем rb26-dett.

    Такая же система, но с маленькими одинаковыми турбинами позволяет добиться прироста мощности при небольших оборотах и держать наддув постоянным до красной зоны.

    Biturbo (би-турбо) — систем а с двумя разными турбинами, которые соединены последовательно. Система устроена таким образом, что при низких оборотах работает маленькая турбина, обеспечивая хороший отклик на малых оборотах, при определенных условиях «включается» большая турбина и обеспечивает наддув при высоких оборотах. Это позволяет автомобилю уменьшить лаг двигателя и получить хороший прирост производительности во всем диапазоне работы двигателя.

    Такая систем турбонаддува используется в автомобилях BMW biturbo.

    Турбина с изменяемой геометрией (VGT) — система при которой лопатки крыльчатки в горячей части могут изменять угол наклона к потоку выхлопных газов.

    При малых оборотах двигателя пропускное сечение прохода выхлопных газов становится более узкое и «выхлоп» проходит с большей скоростью и большей отдачей энергии. Когда обороты двигателя увеличиваются проходное сечение становится шире и и уменьшается сопротивление движению выхлопных газов, но при этом достаточно энергии для создания необходимого давления компрессором. Чаще систему VGT используют на дизельных двигателях т.к. там меньше тепловые нагрузки, меньшая скорость вращения ротора турбины.

    Twin-scroll ( двойная улитка) — система состоит из двойного контура движения выхлопных газов энергия которых вращает один ротор с крыльчаткой и компрессором. При этом существует два типа реализации когда выхлопные газы идут по обоим контурам сразу, при этом система работает как twin-turbo в одном корпусе — выхлопные газы делятся на два потока каждый из которых идут в свой контур горячей части раскручивая ротор турбины. Второй тип реализации работает на подобии системы biturbo — горячая часть имеет два контура с разной геометрией, при низких оборотах выхлопные газы направляются по меньшему контуру, который увеличивает скорость и энергию прохождения за счет небольшого диаметра, при повышении оборотов двигателя выхлопные газы двигаются по контуру диаметр которого больше — тем самым сохраняется рабочее давление в системе впуска и не создается запора на пути выхлопных газов. Это все регулируется клапанами, которые переключают поток из одного контура в другой.

  • Ссылка на основную публикацию