Турбина с изменяемой геометрией принцип работы

о турбине с изменяемой геометрией

Конструкция классической турбины
Упрощенно конструкцию классического турбонагнетателя можно представить в виде двух крыльчаток, соединенных вместе одной осью. Находятся эти крыльчатки в отдельных герметично разделенных камерах. На одну из крыльчаток подводятся выпускные газы работающего двигателя и заставляют ее вращаться. Это вращение передается через совместную ось на вторую крыльчатку, соединенную с подводом атмосферного воздуха. Захваченный крыльчаткой свежий воздух направляется к цилиндрам двигателя для сгорания.

Дело в том, что мощность дизельного двигателя увеличивается за счет подачи большего количества топлива. Но в этом случае мы очень быстро столкнемся с проблемой: увеличив порцию топлива в очередной раз, мы определим, что все оно не сгорает — для его горения не хватает кислорода. Помните школьные уроки, на которых нам утверждали, что горение — это химическая реакция? Это правда. Окисление происходит с помощью кислорода и, если его мало, то нам не удастся сжечь (= окислить) все топливо. В этом случае достигается предел мощности.
Осознав задачу, инженеры разработали турбокомпрессор, который нагнетает дополнительный воздух в камеры сгорания. Есть дополнительный воздух, значит можно увеличить порцию впрыскиваемого топлива и увеличить мощность двигателя
Турбояма
Выпускные газы могут раскрутить крыльчатки турбины до скорости 150 000 — 210 000 об/мин! Если не учитывать геометрические особенности конструкции турбины, то можно вывести простую взаимосвязь: чем больше отработанных газов попадают в турбину, тем выше ее скорость вращения и тем больше свежего воздуха она нагнетает. Именно здесь классическую турбину подстерегает неприятность. Дело в том, что мы ожидаем от турбодвигателя ускорения в любой момент. Представьте себе, что автомобиль двигается с небольшой скоростью, а двигатель работает в нижнем диапазоне частоты вращения. В таком экономном режиме двигатель вырабатывает малое количество отработанных газов и, следовательно, скорость вращения турбины низкая.
Тут водитель решает обогнать автобус, резко нажимает на педаль акселератора и … ничего не происходит. Ожидаемого ускорения нет. Причиной является врожденная задержка турбины, называемая в народе «турбоямой»: сразу же после команды водителя скорость вращения турбины низкая, а двигатель сначала увеличивает впрыск, потом это топливо сгорает и только потом поступает к турбине в виде отработанных газов. Постепенно скорость турбины увеличивается, она нагнетает больше воздуха и вот оно долгожданное ускорение — можно обгонять, но тут на «встречке» вырисовывается другой автомобиль и маневр приходиться откладывать. Неприятно.
Решение пришло в виде турбины с изменяемой геометрией. Ее отличие от классической конструкции — наличие специальных направляющих лепестков в канале, через который на крыльчатку подводятся отработанные газы. Принцип работы умиляет своей простотой.
Принцип работы турбины с изменяемой геометрией

Принцип работы турбокомпрессора с изменяемой геометрией состоит в изменении сечения на входе колеса турбины с целью оптимизировать мощность турбины для заданной нагрузки.
При низких оборотах двигателя и поток отработанных газов является небольшим и он раскручивает турбину недостаточно сильно для резкого ускорения. В этот момент по сигналу блока управления направляющие лопатки смещаются и уменьшают расстояние между собой. Несмотря на то, что объем отработанных газов не увеличился, ему теперь приходиться «протискиваться» через узкий коридор, что заставляет отработанные газы двигаться быстрее.
В результате обороты турбины возрастают и увеличивается давление наддува. Таким образом, удается увеличить скорость вращения турбины без резкого увеличения объема отработанных газов.
На полной скорости работы двигателя и при высоком уровне газового потока турбокомпрессор развдвигает направляющие лепестки, защищая себя от превышения оборотов и поддерживая давление наддува на уровне необходимом двигателю.
Изменение площади сечения (расстояния между направляющими элементами) может управляться непосредственно давлением турбины с помощью привода, с помощью вакуумного регулятора или шагового электромотора
a. корпус турбины
b. крыльчатка для отработанных газов
c. корпус турбокомпрессора
e. ось рычага смещения регулируемого кольца
f. регулируемое кольцо
g. оси направляющих лепестков
h. направляющие лепестки

Устройство и принцип работы турбины с изменяемой геометрией

Турбокомпрессор используется для увеличения мощности двигателя, которая напрямую зависит от объема воздуха и топлива, подаваемого в цилиндр. Ведущими частями любого турбокомпрессора являются турбина и насос, которые соединены между собой жесткой осью. Турбина двигателя с изменяемой геометрией необходима для образования оптимальной мощности двигателя, имеет свойство изменять сечение турбинных колес в зависимости от общей нагрузки. Если двигатель работает на низких оборотах, то турбина может увеличить скорость отвода выхлопных газов. Это позволяет турбине вращаться быстрее, при этом количество топлива остается небольшим.

Как устроена турбина и как она работает

Турбина с измененной геометрией отличается от классических турбокомпрессоров тем, что имеет в своей конструкции кольцо и специальные лопасти с аэродинамической формой, которая способствует увеличению эффективности наддува. В автомобилях с двигателями небольшой мощности сечение регулируется посредством изменения ориентации этих лопастей. В двигателях большой мощности лопасти не вращаются, а покрываются специальным кожухом или перемещаются вдоль оси камеры.

Особенностью VNT турбины являются поворотные лопасти, механизм управления и вакуумный привод. Принцип работы основывается на регулировке потока отработавших газов, которые направляются на колесо турбины. Точная регулировка позволяет настроить проходное сечение для потока газов под режим работы двигателя. Если автомобиль двигается на небольшой скорости, то и турбина крутится медленнее, но при этом лепестки устанавливаются в такое положение, чтобы расстояние между ними было минимальным. Газу в малом объеме сложно преодолеть небольшое отверстие, поэтому он будет передвигаться с большей скоростью, за счет чего обороты турбины увеличиваются, увеличивая при этом давление наддува.

При помощи данных лопастей можно существенно увеличить скорость вращения турбины, не меняя объемы поступающих газов. На большой скорости компрессор раздвигает лопасти – это обеспечивает поддержание безопасного давления внутри системы и исключает перегревы. Принцип изменяемой геометрии позволяет не использовать перепускной клапан, так как весь объём выхлопных газов выходит через горячую часть крыльчатки. Изменение положения поворотных предотвращает избыточный наддув.

Преимущества турбины с изменяемой геометрией

  • Автомобили с такими турбинами развивают большую скорость с самых низких оборотов.
  • Существенно снижается объем необходимого топлива, а также количество вредных выбросов в атмосферу.
  • Улучшается прохождение газов через турбину из-за отсутствия клапана Wastegate и уменьшения количества разнонаправленных потоков газа.
  • Улучшается эластичность двигателя.

Возможные неисправности

Турбокомпрессор с изменяемой геометрией представляет собой сложный механизм, поэтому он больше подвержен различным поломкам. Однако, такие турбины сталкиваются лишь с несколькими проблемами:

  • Подклинивание лопастей в движении. Такая ситуация может сложиться из-за сильного износа трущихся пар и образовании нагара. Масляные, а также углеродистые отложения мешают плавному движению регулировочного кольца.
  • Заклинивание лопаток в одном положении. Это может происходить по причине критического нагарообразования, когда силы вакуума не хватает для движения регулировочного кольца.
  • Поломки вакуумного привода поворотных лопастей или клапана управления давлением.

Симптомами поломок считаются подергивание при разгонах, потеря мощности двигателя, увеличение расхода топлива, а также срабатывание индикатора на приборной панели Check Engine.

Как настроить и отрегулировать турбину

Правильная регулировка турбины с изменяемой геометрией крайне важна для эффективной работы, и для того, чтобы предотвратить быстрый износ деталей и снизить потребление топлива. Если отрегулировать турбину неправильно, то в дальнейшем это повлияет на работу всего автомобиля и удобство его управления.

Любой современный автовладелец немного разбирается в устройстве своего автомобиля и даже может устранить определенные небольшие поломки. Однако, чтобы сделать серьезный ремонт автомобиля, необходим специальный инструмент и оборудование, которого у обычного потребителя может и не быть.

Поэтому, если вы хотите, чтобы работа турбины была эффективной и качественной – обращайтесь за помощью к специалистам, которые правильно настроят механизм и расскажут, как лучше всего за ним ухаживать. Также, не стоит забывать о своевременных диагностиках и профилактике.

Читайте также  Принцип работы регулятора напряжения генератора автомобиля

Как почистить турбину своими руками

Устройство турбины постоянно сталкивается с непрерывной нагрузкой, подвергается воздействиям продуктов горения масла и топлива, поэтому нуждается в регулярной чистке для профилактики различных поломок, которые могут быть с этим связаны. Зачастую, достаточно обработать турбину специальным средством и прогнать его через механизм для качественной очистки. Однако, иногда придется приложить побольше усилий для того, чтобы удалить все загрязнения с устройства. Также стоит помнить о том, что турбина не требует частой чистки, поэтому если она сильно загрязняется за короткое время, значит есть неполадки в ее работе или настройке.

Причинами сильных загрязнений могут выступать:

  • Увеличение нормы давления газов.
  • Износ лопастей турбины.
  • Превышение необходимого срока эксплуатации поршневого отсека.
  • Засора сапуна.
  • Износ прокладок.

Именно поэтому каждый автовладелец должен понимать, что сделать качественную чистку самостоятельно возможно, но далеко не всегда результат таких действий положительно влияет на работу механизма, а в некоторых случаях может и вовсе ухудшать ситуацию.

Отсутствие надлежащего опыта, проверенных чистящих средств, специальных инструментов – все это может негативно сказаться на результате вашей чистки, поэтому лучше всего обращаться в специализированные центры, где такой работой занимаются профессионалы.

Как сделать ремонт турбины?

Ремонт турбин гораздо проще предупредить посредством регулярного обслуживания и диагностики, чем потом пытаться исправить ситуацию самостоятельно. Процесс осложняется еще и тем, что многие автовладельцы боятся высоких цен на профессиональные услуги, забывая о том, что самостоятельное проведение ремонта отнимает также немало денег и времени. К тому же, не все получается с первого раза, и затраты на самостоятельный ремонт могут быть достаточно внушительными.

Поэтому мы настоятельно рекомендуем автовладельцам без опыта, знаний, навыков, а, самое главное, необходимого оборудования, не пытаться ремонтировать сложное устройство турбины самостоятельно, поскольку это может привести к еще более серьезным поломкам, устранить которые не сможет даже опытный специалист. При первых признаках поломки обращайтесь в наш сервисный центр, где наши мастера помогут вам восстановить картридж турбокомпрессора, а также устранить другие неисправности быстро и качественно.

Для того,чтобы идентифицировать турбокомпрессор,необходимо правильно «прочитать» информационную табличку,которая на нем установлена.

Ниже приведены фотографии информационных табличек наиболее распространенных турбокомпрессоров — Garrett,Mitsubishi,IHI,KKK,Holset с описанием нанесенной на них информации.

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.

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.

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.

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.
Читайте также  Антипробуксовочная система tcs принцип работы

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

Почему заклинивает «геометрия» турбины

Теме турбокомпрессоров мы посвятили не один материал. И не зря. Ведь все прелести «даунсайзинга», который почти всегда предполагает использование турбины, уже давно знакомы владельцам подержанных автомобилей. Но на одной из потенциальных проблем турбин с изменяемой «геометрией», а именно — заклинивании, пожалуй, стоит остановиться подробнее. Каковы причины его появления и способы устранения? Обязательна ли разборка? Как этого избежать?

Турбокомпрессоры с изменяемой «геометрией» получили свое название из-за наличия у них направляющего аппарата, с помощью которого в зависимости от режима работы двигателя изменяются проходное сечение на входе выхлопных газов в турбину и угол атаки, с которым газы бьют по лопастям колеса турбины. Независимо от марки двигателя и турбокомпрессора основных причин неисправности направляющего аппарата две.

Первая — ресурсный износ подвижных деталей, вследствие чего в механизме появляются чрезмерные люфты. Вторая причина — нагар, откладывающийся в направляющем аппарате и нарушающий подвижность его деталей. Когда нагара много, подвижные детали и вовсе заклинивают. В каждом из случаев лопатки перестают поворачиваться как требуется либо не поворачиваются вовсе. В результате давление наддува перестает соответствовать необходимому.

Главную роль в заклинивании так или иначе играет нагарообразование. Источником нагара может быть моторное масло, которое при износе поршневых колец, клапанов и их направляющих или при выходе из строя уплотнений ротора в картридже самого турбокомпрессора поступает в турбину, где и коксуется.

К этому же ведет и эксплуатация в условиях, благоприятных образованию сажи. Поскольку сажа — продукт неполного сгорания топлива, то качество топлива, безусловно, имеет значение. Кроме того, сажа интенсивнее появляется при проблемах со смесеобразованием и воспламенением горючей смеси, а они могут быть следствием неисправностей и нарушений регулировок в системе зажигания, когда двигатель бензиновый, в системе питания топливом и воздухом или в системе охлаждения независимо от типа силового агрегата.

Темп езды, а вернее — условия движения автомобиля, тоже влияют на образование сажи. Способствует появлению сажи движение с недостаточно прогретым мотором на низких оборотах, преждевременное включение высших передач, езда «в натяг». В то же время при движении с высокой скоростью и повышенными оборотами саже свойственно выгорать. Поэтому загородные поездки можно рассматривать как способ борьбы с нагаром.

Что касается забитого катализатора и, конечно, сажевого фильтра, то их действие сказывается не столько на механизме изменения «геометрии», сколько на самом турбокомпрессоре. Из-за затруднений со свободным выходом из турбины в выхлопную систему отработавшие газы оказывают давление на турбинное колесо, что ведет к появлению продольного люфта ротора турбокомпрессора.

Не имеет значения, с турбокомпрессором какого производителя мы имеем дело, — чтобы очистить направляющий аппарат от отложений нагара, турбокомпрессор придется разбирать. Иначе как без разборки добраться до подвижных деталей «геометрии»?

И не факт, что с помощью очистки неисправность удастся устранить, потому что при заклинивании подвижных деталей возможны проблемы с тем, благодаря чему они двигаются, — их приводом, который в результате заклинивания способен сломаться.

Алексей Оргиш, «Турбохэлп»:

— Кроме сажи причиной заклинивания лопаток механизма еще может быть попадание посторонних предметов со стороны выпускного коллектора. Это могут быть фрагменты поршневых колец, седел клапанов, оплавленные куски поршней, окалина, твердый кокс и так далее. Практически всегда после такого рода случаев требует замены и ротор турбины.

Супертурбо: все продвинутые системы наддува

Битурбо, твинтурбо, твинскролл. Наверняка вы давно хотели разложить для себя по полочкам, что как работает и чем отличается. Мы подготовили для вас подробный рассказ о плюсах, минусах и надежности каждой из технологий.

Я предельно упростил формулировки, чтобы текст был доступен для понимания широкому кругу читателей. Но для лучшего понимания вопроса рекомендую прочитать мои прошлые публикации о видах наддува и надежности турбомоторов .

Прогресс не стоит на месте, и каждое новое поколение автомобилей должно быть быстрее, экономичнее и мощнее. Часто для повышения мощности используются комбинированные системы наддува, да и «обычные» турбины вовсе не так просты, как кажется на первый взгляд. Каким же образом инженеры научили турбомоторы быть одновременно мощными, эластичными и экономичными? Какие технологии позволяют создавать массовые двигатели с удельной мощностью в 150 л.с. на литр и отличной тягой на низах, и тысячесильных монстров?

«Обычная» турбина

Как я уже писал, турбокомпрессор прост на первый взгляд, но является высокотехнологичным устройством, которое работает в очень жестких условиях. И любое его усложнение сильно сказывается на надежности. Для примера я постараюсь подробнее описать устройство типичного турбокомпрессора без особых усложнений.

Основной частью турбокомпрессора является средний корпус, в нем расположены подшипники скольжения, упорный подшипник и седло уплотнения с кольцами. В самом корпусе есть каналы для прохождения через него масла и охлаждающей жидкости. На совсем старых конструкциях обходились только маслом и для смазки и для охлаждения, но такие турбины не применяются на серийных машинах уже давно. Для предохранения среднего корпуса от воздействия горячих выхлопных газов служит жароотражатель.

В средний корпус устанавливается турбинный вал. Эта деталь не просто вал, конструктивно он соединен с турбинным колесом неразъемным соединением, чаще всего сваркой трением или выполнен из цельного куска металла. Иногда для создания крыльчатки используется керамика-прочности и коррозийной устойчивости лучших конструкционных сталей может не хватать. Сам вал имеет сложную форму, на нем есть утолщение для уплотнения и упорный выступ, а форма цилиндрической части рассчитана с учетом теплового расширения во время работы.

На турбинный вал надевается компрессорное колесо. Оно изготовлено обычно их алюминия и фиксируется на валу гайкой.

Конструкция из среднего корпуса, установленного в него турбинного вала и компрессорного колеса называется картриджем. После сборки этот узел тщательно балансируется, ведь работает он при очень высоких оборотах и малейший дисбаланс быстро выведет его из строя.

Еще турбине нужны две «улитки» — турбинная и компрессорная. Часто они индивидуальны для каждого производителя машин, тогда как центральная часть — картридж и размеры турбинного и компрессорного колеса являются признаками конкретной модели турбины и ее модификации.

Для предохранения от слишком высокого давления наддува используется клапан сброса давления газов, он же вастегейт. Обычно он является частью турбинной улитки и управляется вакуумом. Он закрыт при обычном режиме работы турбины и открывается в случае слишком высокого давления наддува или других проблем в работе мотора, сбрасывая скорость вращения турбины.

А теперь о том, как используют турбины и какие технологии применяют, чтобы достичь самых высоких показателей моторов.

Twin-turbo и Bi-turbo

Чем больше и мощнее мотор, тем больше воздуха нужно подавать в цилиндры. Для этого нужно сделать турбину больше или быстрее. А чем больше размер турбины, тем тяжелее ее крыльчатки и тем инерционнее она получается. При нажатии на педаль газа открывается дроссельная заслонка и больше горючей смеси попадает в цилиндры. Образуется больше выхлопных газов и они раскручивают турбину до более высокой частоты вращения, что, в свою очередь, увеличивает количество подаваемой горючей смеси в цилиндры. Чтобы сократить время раскрутки турбин и сопутствующую им «турбояму», изначально испробовали способы, которые называются твин-турбо и би-турбо.

Это две разные технологии, но маркетологи компаний-производителей внесли немало путаницы. Например, на Maserati Biturbo и Mercedes AMG Biturbo на самом деле используют технологию твин-турбо. Так в чем же разница? Изначально Twin Turbo («турбины-близнецы») называлась технология, при которой выхлопные газы разделялись на два равных потока и распределялись на две одинаковые турбины малого размера. Это позволяло получить лучшее время отклика, а иногда и упростить конструкцию мотора, используя недорогие турбокомпрессоры, что очень актуально для V образных двигателей с выхлопными коллекторами «вниз».

Читайте также  Принцип работы генератора в автомобиле

Фото:twin turbo Nissan

Обозначение Biturbo («двойная турбина») же относят к конструкциям, в которых применяются последовательно подключенные ко впуску две турбины-маленькую и большую. Маленькая хорошо работает на малой нагрузке, быстро раскручивается и обеспечивает тягу «на низах», а потом в действие вступает большая турбина, более эффективная на большой нагрузке. Маленькая турбина в этот момент отключается системой дроссельных заслонок.

Преимуществом такой схемы является большая эффективность одной большой турбины на большой нагрузке: она обеспечивает лучшее давление и меньший нагрев воздуха при большом ресурсе. А еще вместо маленького турбокомпрессора можно использовать механический или электронагнетатель. Они нагревают воздух меньше, чем турбокомпрессор, и не инерционны.

Но как же потери мощности, которые нужны для их раскрутки? Потери на их привод при малой нагрузке не так существенны. Но расплатой за улучшение характеристик турбин является усложнение впускной системы, приходится использовать много труб и дроссельные заслонки, переключающие потоки воздуха.

Обе технологии используются до сих пор всеми производителями, но все они значительно удорожают мотор, ведь дорогих турбокомпрессоров становится в два раза больше, а система управления ими — сложнее. Для сильно форсированных моторов альтернативы этим технологиям нет или почти нет. Но иногда можно просто улучшить конструкцию стандартной турбины.

Тонкое управление вастегейтом

Wastegate – это, дословно, «ворота для сброса», то есть перепускной клапан. На первых турбинах вастегейт работает очень просто: когда давление на впуске преодолевало натяжение пружины, он открывался, стравливал газы и давление падало. Позже систему усложнили: теперь его открытием руководила не только разница давлений, но и электроника, учитывающая множество параметров — обогащение смеси, режим движения, температуру, детонацию и умеющую избегать нежелательных режимов работы самой турбины. Но управлялся он точно так же — пневматикой. Когда нужно было сбросить давление, клапан просто открывался.

Получить качественный скачок характеристик позволяла плавная регулировка степени открытия перепускного клапана. В этом случае турбина может чаще работать с максимальной отдачей, даже при малых оборотах, а на средних нагрузках уже вступает в действие регулирование и в опасные режимы турбина не переходит.

К сожалению, такой способ сложнее. Для его реализации потребовалось разместить электропривод регулировки рядом с турбиной, что понизило ее надежность: электронике приходится работать в очень жестких условиях, при высокой температуре и высокой вибрации. Но улучшение характеристик стоит того и почти все современные турбины высокофорсированных небольших моторов имеют такую конструкцию.

Более эффективное турбинное колесо. Twinscroll

В поисках повышения эффективности одиночной турбины конструкторская мысль придумала способ, который позволял увеличить эффективность работы турбины и на малых и на больших нагрузках. Турбинное колесо, на которое воздействуют выхлопные газы, разделили на две части, отсюда и название технологии – twin scroll (“двойная улитка”), одна часть турбины более эффективна на большой нагрузке, а другая — на малой, но раскручивают они одно и то же компрессорное колесо на общем валу. Турбина получается не намного сложнее, но несколько эффективнее.

Турбина с изменяемой геометрией

Современный автопроизводитель широко использует турбоагрегаты для повышения мощности ДВС. Преимущества такого решения очевидны: существенное улучшение динамических характеристик автомобиля без изменения основных габаритов и веса силовой установки, что положительно сказывается на расходе топлива.

Крыльчатки горячей части и компрессора, установленные на одном валу, представляют собой маховик, вращение которого зависит от интенсивности потока выхлопных газов. Рабочей особенностью всех маховиков в общем, и турбинных в частности, является инерционность: их тяжело раскрутить и также тяжело остановить. Для того чтобы маховики заставить вращаться с одной определенной скоростью используют различные технологии. В мире автомоторов одним из устройств способным автоматически отрегулировать частоту вращения своего рабочего вала является турбокомпрессор с изменяемой геометрией (VNT).

Устройство турбины с изменяемой геометрией

Чтобы понять, как работает турбина с изменяемой геометрией, необходимо знать принципиальное устройство ее конструкции. В корпусе (улитке) горячей части находится рабочее колесо (крыльчатка), на которое подается поток отработанных выхлопных газов. Скорость вращения крыльчатки с постоянной фиксацией лопаток напрямую зависит от объема поступающих выхлопных газов: чем их больше, тем быстрее вращается колесо, чем меньше – медленнее. Такая функциональная особенность снижает эффективность работы турбоустановки, делает четко выраженной ее инерционность. Для регулировки потока газов используется актуатор – вакуумный или электронный, регулирующий степень необходимого наддува путем изменения положения перепускного клапана или лопаток механизма изменяемой геометрии.

Успешно решить проблему «турбо ямы» позволяет механизм изменяемой геометрии потока выхлопных газов, подаваемых на турбинную крыльчатку. Применение этой технологии сделало возможным использование только одной турбины для разных режимов работы силовой установки, в отличие от более сложных систем твин-турбо.

Принцип работы

Работа турбины с изменяемой геометрией основана на способности автоматически изменять направление потока выхлопа. При низких оборотах, когда поток отработанных газов не такой большой, лопатки механизма направляют поток газов на самый край лопастей турбинной крыльчатки. Это позволяет быстро раскрутить турбину, что исключает появления провалов тяги. На высоких оборотах направление потока газов смещается в сторону центра турбинного колеса, в результате чего турбина не превышает допустимые обороты и не нагнетает избыточного количества воздуха.

Турбонагнетатели с изменяемой геометрией устанавливают на дизельных двигателях, для которых присущ эффект «турбо ямы» для его исключения.

К преимуществам турбо нагнетателя с изменяемой геометрией относят:

увеличение рабочего диапазона турбины;

отсутствие провалов тяги (турбо ямы);

предотвращение на высоких оборотах чрезмерного наддува;

увеличение КПД и экономия топлива;

улучшение экологических показателей ДВС.

Регулировка

Турбина с изменяемой геометрией, в отличие от нагнетателей с перепускным клапаном (вестгейт), имеет более сложную конструкцию, однако это не делает ее менее надежной. Однако в процессе использования турбоагрегата, часто при использовании топлива низкого качества и различных присадок, происходит постепенное загрязнение механизма изменяемой геометрии, на его лопатках образуется характерный нагар, ухудшающий их подвижность.

Неспособность механизма изменяемой геометрии в полной мере регулировать раскрутку турбинного колеса может привести как к недодуву, так и к передуву турбины.

Ремонт и регулировка турбины с изменяемой геометрией заключается в восстановлении подвижности лопаток механизма. В интернете можно найти много информации о том, что с проблемой можно справиться с помощью специальных чистящих составов, которые позволяют избавиться от образовавшейся закоксованности. На самом деле это практически невозможно, никакие средства не удалят сильный нагар, возможен только лишь кратковременный эффект. Также возможно механическое повреждение механизма, когда необходимо полностью заменить колесо с изменяемой геометрией, поэтому необходимо всегда разбирать турбину для диагностики неисправности и ее устранения. Следует учитывать, что, не смотря на кажущуюся простоту конструкции турбины, ее диагностику, ремонт и настройку лучше доверить профессионалам. Самостоятельная чистка или замена механизма изменяемой геометрии и последующая его настройка, может привести к выходу из строя всего агрегата, что станет причиной более дорогостоящего ремонта.