Для підвищення потужності двигунів внутрішнього згоряння широко використовують спеціальні агрегати - турбокомпресори.Про те, що таке турбокомпресор, які види бувають ці агрегати, як вони влаштовані і на яких принципах заснована їх робота, а також про їх обслуговування і ремонт читайте в статті.
Що таке турбокомпресор?
Турбокомпресор — основна складова агрегатної системи наддуву двигунів внутрішнього згоряння, вузол підвищення тиску у впускному тракті двигуна за рахунок енергії вихлопних газів.
Турбокомпресор використовується для підвищення потужності двигуна внутрішнього згоряння без радикального втручання в його конструкцію.Цей агрегат підвищує тиск у впускному тракті двигуна, забезпечуючи подачу підвищеної кількості паливно-повітряної суміші в камери згоряння.У цьому випадку горіння відбувається при більш високій температурі з утворенням більшого об'єму газів, що призводить до збільшення тиску на поршень і, як наслідок, до підвищення моментних і потужностей двигуна.
Використання турбокомпресора дозволяє підвищити потужність двигуна на 20-50% при мінімальному збільшенні його вартості (а при більш значних доопрацюваннях приріст потужності може досягати 100-120%).Завдяки своїй простоті, надійності та ефективності системи наддуву на основі турбокомпресора широко використовуються на всіх типах автомобілів з двигунами внутрішнього згоряння.
Типи та характеристики турбокомпресорів
На сьогоднішній день існує велика різноманітність турбокомпресорів, але їх можна розділити на групи за призначенням і застосуванням, типом використовуваної турбіни і додатковим функціоналом.
За призначенням турбокомпресори можна розділити на кілька видів:
• Для одноступінчастих систем наддуву - один турбокомпресор на двигун або два і більше агрегатів, що працюють на кількох циліндрах;
• Для послідовних і послідовно-паралельних систем накачування (різні варіанти Twin Turbo) - два однакових або різних агрегати, що працюють на загальній групі циліндрів;
• Для двоступеневих систем наддуву є два турбокомпресора з різними характеристиками, які працюють попарно (послідовно один за одним) для однієї групи циліндрів.
Найбільшого поширення набули одноступінчасті системи наддуву, побудовані на основі одного турбокомпресора.Однак така система може мати два або чотири однакових вузла - наприклад, в V-подібних двигунах для кожного ряду циліндрів використовуються окремі турбокомпресори, в багатоциліндрових двигунах (більше 8) може використовуватися чотири турбокомпресора, кожен з яких який працює на 2, 4 і більше циліндрів.Менш поширені двоступеневі системи наддуву і різні варіації Twin-Turbo, в них використовуються два турбокомпресора з різними характеристиками, які можуть працювати тільки в парі.
За сферою застосування турбокомпресори можна розділити на кілька груп:
• За типом двигуна - для бензинових, дизельних і газових силових агрегатів;
• За об'ємом і потужністю двигуна - для силових агрегатів малої, середньої і великої потужності;для швидкохідних двигунів та ін.
Турбокомпресори можуть оснащуватися одним з двох типів турбіни:
• Радіальний (радіально-осьовий, доцентровий) - потік відпрацьованих газів подається на периферію робочого колеса турбіни, рухається до його центру і відводиться в осьовому напрямку;
• Осьовий - потік відпрацьованих газів подається вздовж осі (до центру) робочого колеса турбіни і відводиться з її периферії.
Сьогодні використовуються обидві схеми, але на малогабаритних двигунах часто можна зустріти турбокомпресори з радіально-осьовою турбіною, а на потужних силових агрегатах перевага віддається осьовим турбінам (хоча це не правило).Незалежно від типу турбіни, всі турбокомпресори оснащені відцентровим компресором - в ньому повітря подається в центр робочого колеса і відводиться з його периферії.
Сучасні турбокомпресори можуть мати різний функціонал:
• Подвійний вхід - турбіна має два входи, на кожен з яких надходять вихлопні гази з однієї групи циліндрів, це рішення зменшує перепади тиску в системі та покращує стабільність наддуву;
• Змінна геометрія - турбіна має рухомі лопаті або кільце ковзання, за допомогою якого можна змінювати потік вихлопних газів до робочого колеса, це дозволяє змінювати характеристики турбокомпресора в залежності від режиму роботи двигуна.
Нарешті, турбокомпресори відрізняються своїми основними характеристиками та можливостями.З основних характеристик цих агрегатів слід виділити:
• Ступінь підвищення тиску - відношення тиску повітря на виході з компресора до тиску повітря на вході, лежить в межах 1,5-3;
• Подача компресора (потік повітря через компресор) - маса повітря, що проходить через компресор за одиницю часу (секунду) лежить в межах 0,5-2 кг/с;
• Діапазон робочих обертів коливається від кількох сотень (для потужних тепловозів, промислових та інших дизелів) до десятків тисяч (для сучасних форсованих двигунів) обертів за секунду. Максимальна швидкість обмежується міцністю робочих коліс турбіни та компресора, якщо швидкість обертання занадто висока через відцентрові сили, колесо може зруйнуватися.У сучасних турбокомпресорах периферійні точки коліс можуть обертатися зі швидкостями 500-600 і більше м / с, тобто в 1,5-2 рази швидше швидкості звуку, це викликає появу характерного свисту турбіни;
• Робоча / максимальна температура відпрацьованих газів на вході в турбіну лежить в межах 650-700 ° С, в окремих випадках досягає 1000 ° С;
• ККД турбіни / компресора зазвичай становить 0,7-0,8, в одному агрегаті ККД турбіни зазвичай менше ККД компресора.
Також агрегати відрізняються розмірами, типом установки, необхідністю використання допоміжних компонентів і т.д.
Конструкція турбокомпресора
В цілому турбокомпресор складається з трьох основних компонентів:
1.Турбіна;
2. Компресор;
3. Корпус підшипника (центральний корпус).
Типова схема системи наддуву повітрям агрегату ДВС
Турбіна - це агрегат, який перетворює кінетичну енергію вихлопних газів в механічну енергію (в крутний момент колеса), що забезпечує роботу компресора.Компресор - це пристрій для накачування повітря.Корпус підшипника з'єднує обидва вузла в єдину конструкцію, а розташований в ньому вал ротора забезпечує передачу крутного моменту від колеса турбіни до колеса компресора.
Секція турбокомпресора
Турбіна і компресор мають схожу конструкцію.Основою кожного з цих вузлів є кохлеарний корпус, у периферійній і центральній частинах якого розташовані патрубки для підключення до системи наддуву.У компресора вхідний патрубок завжди знаходиться по центру, випускний (нагнітальний) - по периферії.Таке ж розташування труб для осьових турбін, для радіально-осьових турбін розташування труб протилежне (по периферії - впускні, в центрі - випускні).
Усередині корпусу знаходиться колесо з лопатями спеціальної форми.Обидва колеса - турбінне і компресорне - утримуються загальним валом, який проходить через корпус підшипника.Колеса суцільнолиті або композитні, форма лопаток турбінного колеса забезпечує максимально ефективне використання енергії вихлопних газів, форма лопатей компресорного колеса забезпечує максимальний відцентровий ефект.Сучасні турбіни високого класу можуть використовувати композитні колеса з керамічними лопатями, які мають невелику вагу та кращі характеристики.Розмір коліс турбокомпресорів автомобільних двигунів 50-180 мм, потужних локомотивних, промислових та інших дизелів - 220-500 мм і більше.
Обидва корпуси кріпляться на корпусі підшипника болтами через ущільнення.Тут розташовані підшипники ковзання (рідше підшипники кочення спеціальної конструкції) і ущільнювальні кільця.Також в центральному корпусі є масляні канали для змащення підшипників і вала, а в деяких турбокомпресорах і порожнина сорочки водяного охолодження.При монтажі агрегат підключається до систем змащення та охолодження двигуна.
Також в конструкції турбокомпресора можуть бути передбачені різні допоміжні компоненти, в тому числі деталі системи рециркуляції вихлопних газів, масляні клапани, елементи для поліпшення змащування деталей і їх охолодження, регулюючі клапани і т.д.
Деталі турбокомпресора виготовляються зі спеціальних марок сталі, для колеса турбіни використовуються жароміцні сталі.Матеріали ретельно підібрані за коефіцієнтом теплового розширення, що забезпечує надійність конструкції в різних режимах експлуатації.
Турбокомпресор входить в систему наддуву повітря, яка також включає впускний і випускний колектори, а в більш складних системах - інтеркулер (радіатор охолодження наддувочного повітря), різні клапани, датчики, заслінки і трубопроводи.
Принцип дії турбокомпресора
Робота турбокомпресора зводиться до простих принципів.Турбіна агрегату введена у вихлопну систему двигуна, компресор - у впускний тракт.Під час роботи двигуна вихлопні гази потрапляють у турбіну, вдаряються об лопаті колеса, віддаючи їй частину кінетичної енергії та приводячи її в обертання.Крутний момент від турбіни безпосередньо передається на колеса компресора через вал.При обертанні колесо компресора відкидає повітря на периферію, збільшуючи його тиск - це повітря подається у впускний колектор.
Одиничний турбокомпресор має ряд недоліків, основним з яких є затримка турбонаддуву або турбояма.Колеса агрегату мають масу і деяку інерцію, тому не можуть миттєво розкрутитися при збільшенні швидкості силового агрегату.Тому при різкому натисканні на педаль газу двигун з турбонаддувом розганяється не відразу - виникає коротка пауза, зникнення електроенергії.Рішенням цієї проблеми є спеціальні системи керування турбіною, турбокомпресори зі змінною геометрією, послідовно-паралельні та двоступеневі системи наддуву та ін.
Принцип дії турбокомпресора
Питання технічного обслуговування та ремонту турбокомпресорів
Турбокомпресор потребує мінімального обслуговування.Головне вчасно міняти моторне масло і масляний фільтр.Якщо двигун ще якийсь час може працювати на старому маслі, то це може стати смертельно небезпечним для турбокомпресора - навіть незначне погіршення якості мастила при великих навантаженнях може призвести до заклинювання і руйнування агрегату.Також рекомендується періодично очищати деталі турбіни від нагару, що вимагає її розбирання, але цю роботу слід виконувати тільки з використанням спеціального інструменту та обладнання.
Несправний турбокомпресор у більшості випадків легше замінити, ніж ремонтувати.Для заміни необхідно використовувати вузол того ж типу і моделі, який був встановлений на двигун раніше.Установка турбокомпресора з іншими характеристиками може порушити роботу силового агрегату.Вибір, установку і налагодження агрегату краще довірити фахівцям - це гарантує правильне виконання робіт і нормальну роботу двигуна.При правильній заміні турбокомпресора двигун відновить високу потужність і зможе вирішувати найскладніші завдання.
Час публікації: 21 серпня 2023 р