Турбіна (турбокомпресор) стала визначальним агрегатом в справі збільшення потужності моторів.

Що таке турбіна і для чого вона потрібна?

Турбіна - пристрій в автомобілі, яке спрямоване на збільшення тиску у впускному колекторі автомобіля для того, щоб забезпечити більшу надходження повітря, а значить і кисню, в камеру згоряння.
Головне призначення турбіни - з її допомогою можна значно збільшити потужність автомобіля. При збільшенні тиску у впускному колекторі на 1 атмосферу в камеру згоряння потрапить в два рази більше кисню, а значить від невеликого турбового двигуна можна очікувати потужності як від атмосферника з об'ємом в два рази більше - груба теоретична арифметика з позбавлена ​​сенсу ...

Принцип роботи турбокомпресора

Принцип роботи турбіни нескладний: гарячі вихлопні гази через випускний колектор надходять в гарячу частина турбіни, проходять через крильчатку гарячої частини приводячи її і вал на який вона кріпиться в рух. На цьому ж валу закріплена крильчатка самого компресора в холодній частині турбіни, ця крильчатка при обертанні створює тиск у впускному тракті і впускному колекторі, що забезпечує більшу надходження повітря в камеру згоряння.

пристрій турбіни

Турбіна складається з двох равликів - равлики компресора, через яку всмоктується повітря і нагнітається у впускний колектор, і равлики гарячої частини, через яку проходять вихлопні гази обертаючи колесо турбіни і виходять у вихлопній тракт. З крильчатки компресора і крильчатки гарячої частини. З шарикопідшипникового картриджа. З корпусу, який з'єднує обидві равлики, тримає підшипники, так само в корпусі знаходиться охолоджуючий контур.

В процесі роботи турбіна піддається дуже великим термодинамічних навантажень. У гарячу частину турбіни потрапляють вихлопні гази дуже високої температури 800-9000 ° С, тому корпус турбіни виготовляють з чавуну особливого складу і особливого способу виливки.

Частота обертання валу турбіни досягає 200 000 об / хв і більше, тому виготовлення деталей вимагає великої точності, підгонки і балансування. Крім цього в турбіні високі вимоги до використовуваних мастильних матеріалів. У деяких турбінах система змазки служить так е системою охолодження підшипникової частини турбіни.

Система охолодження турбін

Система охолодження турбін двигуна служить для поліпшення тепловіддачі частин і механізмів турбокомпресора.
Існує два найпоширеніші способи охолодження деталей турбокомпресора - охолодження маслом, яке використовується для змащення підшипників і комплексне охолодження маслом і антифризом із загальної системи охолодження автомобілем.

Обидва способи мають ряд переваг і недоліків.
Охолодження маслом.
переваги:

• Більш проста конструкція
• Менша вартість виготовлення самої турбіни

недоліки:

• Менша ефективність охолодження в порівнянні з комплексною системою
• Більш вимоглива до якості масла і до його більш частій зміні
• Більш вимоглива до контролю за температурним режимом масла

Спочатку, більшість серійних двигунів з турбонаддувом оснащувалися Тубін з масляним охолодженням. При проходженні через шарикопідшипникову частина масло сильно нагрівалася. Тоді, коли температура виходила за межі нормального робочого температурного діапазону, масло починало закипати, коксованого забиваючи канали та обмежуючи доступ мастила і охолодження до підшипників. Це призводило до швидкого зносу, заклинювання і дорогого ремонту. Причин у неполадки могло бути кілька - неякісної масло та не схвалюється корпорацією для даного типу двигунів, перевищення рекомендовані термінів заміни масла, несправності в системі мастила двигуна та ін.

Комплексне охолодження маслом і антифризом
переваги:

• Велика ефективність охолодження

недоліки:

• Більш складна конструкція самого турбокомпресора, як наслідок велика вартість

При охолодженні турбіни маслом і антифризом підвищується ефективність і такі проблеми, як закипання і коксування масла, практично не зустрічаються. Але дана систем охолодження має більш складну конструкцію тому має роздільні масляний контур і контур охолоджуючої рідини. Масло як і раніше служить для змащування підшипників і для охолодження, а антифриз , Який використовується із загальної системи охолодження двигуна, не дає перегрітися і закипіти маслу. Як наслідок збільшується вартість самої конструкції.

При роботі турбіни повітря під дією компресора стискується і, як наслідок, дуже сильно гріється, що призводить до небажаних наслідків тому чим вище температура повітря, тим менша кількість кисню в ньому міститься - тим менше ефективність наддуву. З цим явищем покликаний боротися інтеркулер - проміжний охолоджувач повітря.

Нагрівання повітря не єдина проблема, з якою намагаються впоратися конструктори при проектуванні турбодвигуна. Нагальною проблемою є інерційність турбіни (лаг турбіни, турбояма) - затримка в реакції мотора на відкриття дросельної заслінки. Турбіна виходить на пік своїх можливостей при певних оборотах двигуна, звідси і з'явилася думка, що турбіна включається при певних оборотах. Турбіна в більшості випадків, працює завжди, а значення оборотів при яких її ефективність максимальна у кожного двигуна і у кожної турбіни різні. У гонитві за рішенням цієї проблеми з'явилися системи з двох турбін (твін-турбо, twin-turbo, бі-турбо, biturbo), твін-скрол (twin-scroll) турбіни, турбіни із змінною геометрією сопла і змінним кутом нахилу крильчатки (VGT) , змінюються матеріали частин щоб підвищити міцність і збільшити вагу (керамічні лопатки крильчатки) та ін.

Twin-turbo (твін-турбо) - система при якій використовуються дві однакові турбіни. Завдання даної системи підвищити обсяг або тиск повітря, що поступає. Використовується коли необхідна максимальна потужність на високих оборотах, наприклад в драг-рейсингу. Така система реалізована на легендарному японському автомобілі Nissan Skyline Gt-R з двигуном rb26-dett.

Така ж система, але з маленькими однаковими турбінами дозволяє домогтися приросту потужності при невеликих оборотах і тримати наддув постійним до червоної зони.

Biturbo (бі-турбо) - систем а з двома різними турбінами, які з'єднані послідовно. Система влаштована таким чином, що при низьких оборотах працює маленька турбіна, забезпечуючи хороший відгук на малих обертах, при певних умовах «включається» велика турбіна і забезпечує наддув при високих оборотах. Це дозволяє автомобілю зменшити лаг двигуна і отримати хороший приріст продуктивності у всьому діапазоні роботи двигуна.

Така систем турбонаддува використовується в автомобілях BMW biturbo.

Турбіна зі змінюваною геометрією (VGT) - система при якій лопатки крильчатки в гарячій частині можуть змінювати кут нахилу до потоку вихлопних газів.

При малих обертах двигуна пропускне перетин проходу вихлопних газів стає більш вузьке і «вихлоп» проходить з більшою швидкістю і більшою віддачею енергії. Коли обороти двигуна збільшуються прохідний перетин ширшає і і ​​зменшується опір руху вихлопних газів, але при цьому досить енергії для створення необхідного тиску компресором. Найчастіше систему VGT використовують на дизельних двигунах тому там менше теплові навантаження, менша швидкість обертання ротора турбіни.

Twin-scroll (подвійна равлик) - система складається з подвійного контуру руху вихлопних газів енергія яких обертає один ротор з крильчаткою і компресором. При цьому існує два типи реалізації коли вихлопні гази йдуть по обом контурам відразу, при цьому система працює як twin-turbo в одному корпусі - вихлопні гази діляться на два потоки кожен з яких йдуть в свій контур гарячої частини розкручуючи ротор турбіни. Другий тип реалізації працює на подобі системи biturbo - гаряча частина має два контури з різною геометрією, при низьких оборотах вихлопні гази направляються за меншим контуру, який збільшує швидкість і енергію проходження за рахунок невеликого діаметра, при підвищенні оборотів двигуна вихлопні гази рухаються по контуру діаметр якого більше - тим самим зберігається робоче тиск в системі впуску і не створюється запору на шляху вихлопних газів. Це все регулюється клапанами, які перемикають потік з одного контуру в інший.