Турбо – что это такое? Турбо – что это такое?

 

Газотурбинный нагнетатель или просто "турбо" это такая штука, которая использует энергию выхлопных газов для нагнетания воздуха или топливовоздушной смеси в двигатель. Принципиальная схема работы турбины приведена на нижеследующем рисунке.

Из рисунка видно, что турбина состоит из двух колес, соединенных между собой валом, и корпуса. Выхлопные газы, выходя из двигателя, раскручивают турбинное колесо, а так как последнее жестко связано с компрессорным колесом, то компрессорное колесо тоже получает вращение. Именно это компрессорное колесо и создает избыточное давление, которое улучшает наполнение цилиндров топливо-воздушной смесью и, соответственно, увеличивает мощность двигателя. Вроде все просто, но на практике все гораздо сложнее.

Турбинное колесо начинает активно раскручиваться только после определенного давления в выпускном коллекторе. То есть, едите вы например на своей турбированной машине на третьей передаче, тахометр показывает 2300 об/мин. Тут вы вдруг замечаете, что на светофоре, до которого метров 100, начинает мигать зеленый свет. Раньше вы ездили на обычном жигуле и потому в таких ситуациях "сдавались": выключали передачу и катились потихоньку до уже покрасневшего светофора. Но теперь вы "зарядили" в тюнинговом ателье свою жигу турбиной и сдаваться не намерены. Вы нажимаете крайнюю правую педаль до известного предела и ожидаете, что ваш суперкар сорвет с места и вы проскочите под еще мигающий зеленый, но не тут то было. Ваш жигулятор не едет и вообще не набирает оборотов. Первая мысль: вот сволочи, поставили мне турбину, а она не работает. И сразу после этих слов ваш болид срывает с места и вы уходите в точку с широко распахнутыми глазами и развевающимися по ветру ушами. Почему? А потому что турбина при полностью открытом дросселе (полная нагрузка на двигатель) начинает "раскручиваться" после 2700 оборотов и это надо учитывать. Кроме того, турбине требуется определенное время, для того, чтобы "раскутиться". Это время принято называть турбоямой.

Итак, поподробнее. Когда я говорил, что турбина "раскручивается", я имел в виду не совсем то. Турбинное колесо (ну и само собой компрессорное) крутится может и на более низких оборотах (вплоть до холостых), но создавать давление на входе во впускной коллектор может только при определенных оборотах крыльчатки. А обороты крыльчатки зависят от давления выхлопных газов. Чем больше давление выхлопных газов, тем больше обороты крыльчатки. Поэтому при определенном давлении газов обороты компрессорного колеса достигают пороговой величины, при которой турбина начинает создавать добавочное давление. За счет этого в двигатель попадает большее количество топливовоздушной смеси, что влечет за собой большее давление выхлопных газов. Это большее давление, в свою очередь, еще больше раскручивает турбинное колесо, компрессорное колесо создает еще большее давление на входе в двигатель и так далее до тех пор, пока ваш двигатель не взорвется :) Ну на счет "взорвется", это так, для устрашения. На самом деле топливо-воздушная смесь начнет детонировать при определенном уровне давления, создаваемого турбиной. А это, как известно, ни к чему хорошему не приводит и грозит перегревом двигателя, поломкой поршневых колец, плавлением самих поршней и многим другим неприятностям. Поэтому максимальное давление, создаваемое турбиной, ограничивается. Для этой цели служит перепускной клапан. Он пускает выхлопные газы, идущие из двигателя, в обход турбинного колеса, и таким образом не дает турбинному колесу дальше увеличивать скорость вращения и повышать давление наддува.

Перепускной клапан приводится в движение посредством пневмопривода, который представляет собой корпус, внутри которого размещена мембрана со штоком, и пружина. На мембрану с одной стороны действует сила прижатия пружины, с другой – давление, развиваемое турбиной. Пневмопривод берет давление воздуха во впускном коллекторе двигателя. Для этого корпус пневмопривода соединен с коллектором патрубком. При давлении наддува ниже критического, давления, которое действует на мембрану, не хватает для того, чтобы отжать пружину, переместить шток привода перепускного клапана и открыть клапан. Как только турбина развивает близкое к критическому давление пружина под его воздействие сжимается, шток перемещается и перепускной клапан начинает открываться. Открытие будет происходит до тех пор, пока давление во впускном коллекторе не перестанет расти.

Теперь на счет турбоямы и давления выпуска. Давление выпуска зависит не только от того, на каких оборотах работает двигатель, но и от того насколько велика нагрузка на двигатель (проще говоря на сколько открыты дроссельные заслонки). Иными словами, если вы едите на второй передаче на 3000 об/мин, то давление выхлопных газов не очень велико, такого же давления можно добится и на 1000 об/мин полностью нажав педаль акселератора. Пример условный, но помогает понять сущность вопроса. Когда мы ехали на 3000 оборотах педаль была слегка "притоплена" и количество воздуха, проходящего через карбюратор было относительно мало, когда же мы решили ускориться с 1000 оборотов мы полностью открыли дроссельные заслонки и тем самым увеличили количество топливо-воздушной смеси, поступающей в двигатель. В первом случае в двигатель поступало мало смеси но часто (из-за высоких оборотов), а во втором много, но реже.

Вся эта информация на первый взгляд может показаться ненужной или даже излишнишней, но понимание этого факта позволит легко объяснить сущность турбоямы. Когда мы едем на 3000 об/мин давления выхлопных газов не хватает для того, чтобы раскрутить турбину (хотя при разгоне турбина начинает раскручиваться, к примеру, после 2500 об/мин). Если же нам вдруг захочется резко ускориться, то нам придется "подождать", когда турбина ракрутится и начнет давать необходимое давление. Это время задержки с момента открытия дроссельных заслонок до момента подачи турбиной давления и называется турбоямой. Однако турбояма имеет место не только в вышеприведенном случае, она имеет место и при обыкновенном разгоне машины с минимальных оборотов, однако только в выше приведенном примере можно прочувствовать задержку. Из-за этой турбоямы немало народу разбило своих железных коней. Классическая ситуация: вы проходите поворот на заднеприводной машине с включенной передачей и тормозите двигателем, вы успешно вошли в поворот и на выходе из него добавляете газ для разгона. Так вот, нажали вы немного на педаль, а отклика практически никакого, вы нажимаете еще больше… и через секунду вы уже в кювете. Почему? Потому что когда вы слегка добавили газ и не ощутили "отдачи" вы попали в турбояму, нужно было только подождать немного и турбина подхватила бы. Но нет, вы вдавили педаль еще больше и турбина подхватила уже так, что колеса сорвало в юз, вас закрутило и… ну я уже говорил. Результаты могут быть очень печальными, например такими:

Еще одна проблема машин с турбированными двигателями это охлаждение подшипникового узла турбокомпрессора. Дело в том, что при работе корпус турбинного колеса и подшипникового узла зачастую разогревается докрасна. Представьте себе такую картинку: ехали вы по трассе долгое время на приличной скорости и вдруг вы решаете остановиться для того чтобы слить баки и подкрепиться. Вы останавливаетесь и глушите двигатель. Вот тут то и проблема! При движении масло, которое подводится под давлением к подшипниковому узлу, смазывало подшипники и отводила часть тепла, не давая подшипникам перегреться. Когда вы внезапно заглушили двигатель масло перестает циркулировать через подшипниковый узел. Из-за этого подшипники очень сильно перегреваются а масло, оставшееся в подшипниковом узле мгновенно вскипает. Кроме того, крыльчатка турбины может еще вращаться и без смазки подшипники долго не выдержат (особенно если учесть тот факт, что обороты крыльчатки могут достигать 120000 об/мин). После таких "парилок" подшипниковый узел закоксовывается выгоревшим маслом и теплоотвод значительно ухудшается. После нескольких десятков таких резких остановок двигателя ваша турбина прикажет долго жить. Для того, чтобы исключить такие ситуации производители турбированных машин устанавливают на свои детища жидкостное охлаждение узла подшипников, либо так называемые турботаймеры. В первом случае после остановки двигателя через подшипниковый узел турбины циркулирует жидкость и не дает перегреваться подшипникам. Во втором – двигатель банально не глохнет некоторое время. То есть вы остановились, вынули ключи из замка зажигания, поставили машину на сигнализацию, а двигатель продолжает работать на холостом ходу еще 2-3 минуты. Если же производители не установили на машину ничего из вышеперечисленного, то вам придется самим организовывать турботаймер, то есть не глушить двигатель сразу, а дать ему поработать некоторое время.

Думаете проблемы на этом закончились? Нет, есть еще одна. Она возникает при торможении двигателем. Вы разгоняете машину, достигаете, к примеру, 5000 об/мин и по каким-то причинам сбрасыбаете газ и тормозите двигателем. Сложно представить, что при этом творится с турбиной и карбюратором (инжектором). Когда вы начали торможение двигателем вы закрыли дроссельные заслонки. В результате этого давление выпуска резко снизилось, турбинное колесо потеряло обороты, давление, создаваемое турбиной пропало. "Ну и что такого…" – спросите вы – "…причем тут карбюратор и турбина, что с ними может случиться?" Но на самом деле вещи обстоят намного хуже, чем можно подумать. Нужно учесть, что турбина не может мгновенно снизить обороты только из-за того, что давление выпуска упало. Тут решающую роль играет инерция. Вы представляете, что нужно сделать для того, чтобы остановить крыльчатку, врашающуюся на 100000 об/мин? Она хоть и имеет маленький момент инерции, но за счет высоких оборотов обладает достойным уровнем кинетической энергии. Если занунуть во впускной диффузор турбины пару лимонов, то лимонад не заставит себя долго ждать :)

А теперь серьезно. При торможении двигателем дроссели закрыты, давление выхлопных газов мало, но турбина по инерции продолжает вращаться и создавать давление, но воздуху некуда идти, так как дроссели закрыты. В таких случаях давление может превышать номинальное раз этак в пять. Вы представляете что это такое? Допустим, давление создаваемое турбиной 1,4 атмосферы, умножив его на 5 получаем 7 атмосфер. С таким давлением шутки плохи. Если даже карбюратору ничего не будет, что маловероятно, то турбина из-за такого давления резко остановится и такое положение вещей негативно скажется на ее долговечности.

Для решения такой проблемы на турбированные моторы устанавливают разгрузочный клапан, который, при резком закрытии дросселей, постепенно разгружает систему, стравливая избыточное давление в атмосферу. Почему постепенно? Потому что если разгрузить мгновенно, то давление во впускном тракте пропадет и при повторном нажатии на педаль акселератора придется некоторое время сидеть в турбояме. А при постепенном стравливании давление во впускном тракте поддерживается практически постоянное и когда вы нажимаете на педаль акселератора вам не нужно ждать, пока турбина раскутится и даст давление, оно уже есть. А к тому времени, когда оно пропадет, раскрутится турбина. Таким образом, в режиме разгона-торможения не только предотвращается порча элементов впускного тракта, но и обеспечивается отсутствие турбоям.

Вот еще важная часть информации. Иногда люди думают, что чем холоднее воздух, тем больше его попадает в цилиндры, так как плотность его меньше, чем у теплого. Все это так, но при температуре воздуха ниже определенного предела смесеобразование (т. е. испарение бензина в воздухе) происходит не очень качественно. Бензин не испаряется полностью, часть его находится в капельном состоянии, а это в свою очередь препятствует качественному воспламенению смеси и как результат имеем снижение мощности. Вот почему в заводской инструкции классики пишут о том, что: "…если средняя температура сезона ниже +15 градусов Цельсия, поверните ручку заслонки в положение "НОТ"…". Имеется в виду заслонка терморегулятора на воздушном фильтре.

Иногда люди хотят в связи с вышеупомянутым заблуждением установить на свой Жигуль интеркулер (он же промежуточный охладитель). Так вот про него поподробнее. Интеркулер устанавливается только на машины, оснашенные наддувом, и делается это для того, чтобы охлаждать разогретый турбиной до 80-100 градусов воздух до практически атмосферной температуры. Вот здесь можно смело говорить о том, что в цилиндры попадает больше воздуха, в сравнении с ситуацией без интеркулера. Интеркулер устанавливается, как вы уже успели понять, между турбиной и карбюратором (инжектором) и представляет собой радиатор, в котором воздух из турбины охлаждается атмосферным воздухом. Чтобы долго не объяснять, приведу очень наглядные рисунки. На первом изображено местонахождение интеркулера, а на втором показана схема его работы.

 



  • На главную
    [© 2014 Турбины