Вид топлива, который используется в транспортном средстве, является той основой, вокруг которой все верится. Двигатели, топливные системы, насосы и фильтры разрабатывались под конкретный класс горючего материала: керосин, нефть, бензин, соляра, масло и пр. В истории инженерных изобретений практически не было случая, чтобы химики изобрели новый вид топлива под конкретную механическую базу.
Этот принцип действует и при сравнении двух узлов, которые входят с силовой блок автомобиля: турбина. Для дизельных и бензиновых моторов узлы, которые выполняют одинаковую функцию, имеют внешнее конструктивное сходство и практически одинаковый комплект основных комплектующих, окажутся совершенно разными.
Отличия бензиновых и дизельных турбин
Основное отличие главных узлов турбонагнетателя — это использование различных материалов для крыльчатки и корпуса. Но по внешнему виду определить, на какой вид топлива предназначена та или иная турбина, может только механик-турбинист с большим стажем.
Лопасти турбины, независимо от того, на какой мотор она установлена, приводятся в движение потоком отработанного газа. В дизельных моторах после сгорания солярки температура газа на выпуске не превышает 850 о С, но дизтопливо может продолжать гореть и на выходе в выпускной коллектор. Для бензиновых моторов температура отработанного газа не опускается ниже 1000 о С.
Исходя из такой разницы в температуре газа, который будет раскручивать колесо турбины, корпус и лопасти агрегата должны изготавливаться из разных материалов.
Для крыльчатки турбины используют жаропрочные никельсодержащие металлы: GMR 235 (используется для крыльчатки при температуре выходного потока в 850 о С), Inconel 713 (в металле увеличено содержание хрома, используется для крыльчатки бензиновой турбины, материал рассчитан на пропуск выходного газа температурой до 1000 о С).
В качестве материала корпуса для дизельных турбин используется чугун серый (максимальная рабочая температура — 650 о С), чугун кремниево-молибденовый (максимальная рабочая температура — 720 о С), чугун с вермикулярным графитом GGV SiMo (макс. т. — 850 о С).
Для корпуса турбин, встраиваемых в бензиновый мотор, используются жаропрочные сплавы, способные выдержать долгосрочную температуру более 1000 о С (аустенитные стали, сплав NiResist 5).
Второе отличие материала турбин состоит в том, что бензиновые турбины рассчитаны на минимальное давление, которое оказывает отработанные бензиновые пары в выпускном коллекторе. Газы отработанного дизтоплива имеют давление в 3-5 раз выше.
Отсюда вытекает главный вывод — ставить бензиновую турбину на дизельный мотор и наоборот нельзя. Это спровоцирует детонацию и снизит эффективность каждого двигателя.
Кроме этого, для бензиновых турбин практически не используется схема компрессора с изменяемой геометрией. Технологические решения VNT, VTG, VGT не адаптированы под высокие температуры выхлопа, который дает бензиновый мотор. Поэтому бензиновая турбина имеет в своей конструкции только главные детали.
Особенности дизельной турбины
Дизельная, как и бензиновая турбина, относятся к навесному узлу мотора. Турбонагнетатель врезается в систему выпускного коллектора и для своей работы использует все двигательные системы: охлаждение и смазки, вентиляции картерного блока, впуска и выпуска отработанных газов.
Турбина нагнетает воздух в топливные цилиндры под высоким давлением. Ротор турбины раскручивается, пропуская через себя энергию отработанного топлива, и приводит в движение лопасти нагнетателя — происходит всасывание воздуха из атмосферы, сжатие его и подача в блок цилиндров. Скорость вращения турбинного ротора на некоторых дизельных моторах может доходить до 250 000 оборотов в минуту — этот показатель считается нормальным, но для некоторых турбокомпрессоров это граница допустимых возможностей.
Конструктивно турбина состоит из двух блоков: колесо турбинное и компрессорное. Поскольку колеса имеют лопасти, второе их название – крыльчатки. Оба блока фиксируются на роторном валу. Главные детали дизельной турбины:
- крыльчатка турбонагнетателя (входит в блок горячей улитки);
• крыльчатка компрессора (блок холодной улитки);
• блок подшипников;
• корпус турбины;
• роторный вал.
Особенности турбинного блока как главного элемента нагнетателя
Горячая улитка пропускает через себя поток выхлопных газов при большой температуре. Проходя через улитку, газы разгоняются и приводят в движение роторный вал, затем через выходной клапан выбрасываются наружу. Скорость вращения турбины зависит от оборотов мотора — на холостых оборотах турбина практически не используется.
В каждом конструктивном типе дизельных турбин используется различное количество каналов для прохождения отработанного топлива, применяется электронная система управления потоком через изменяемую геометрию.
Компрессорный блок
Часть турбины, через которую нагнетается атмосферный воздух, называют компрессором. Главные компоненты: корпус (холодная улитка), ротор. Ротор жестко установлен на общую ось с крыльчаткой турбины. При вращении первой происходит движение роторного колеса в обратном направлении. За счет вращения алюминиевых лопастей ротора воздух затягивается вихревым потоком, давление воздуха увеличивается за счет перехода потока с центра ротора на его стенки.
Воздушный фильтр, установленный на входе во впускной коллектор, препятствует попаданию грязи, мелкого мусора, и пр. в турбину.
Конструкция оси турбины
В центральной части турбонагнетателя расположен осевой блок с узлами подшипников (радиальный, подшипники скольжения, упорный), который использует масляную систему двигателя. Чтобы ротор мог вращаться на предельной частоте максимальное количество времени, необходимо обеспечить масляной клин между валом и подшипниками во избежание прямого трения деталей, которые в процессе работы максимально прижимаются друг к другу. Если в турбине используется система неохлаждаемого корпуса, смазка обеспечит и отвод тепла от блока горячей улитки и вала.
[stextbox id=’black’]Первая неисправность, которая встречается при ремонте турбин — это эксплуатация агрегата «на сухую», когда детали вращаются в режиме плохой смазки. В этом случае на корпусе турбины появляются следы перегрева, «цвет побежалости», детали быстро изнашиваются, происходит быстрое коксование картера, масляной трубки и всех комплектующих турбины.[/stextbox]
Мифы о масляном фильтре
Развеем заблуждение некоторых автомобилистов, которые говорят, что своевременная замена масляного фильтра предотвратит износ движущих деталей турбины. В момент холодного пуска, равно и тогда, когда масляной фильтр засорился до своего критического уровня, предохранительный клапан фильтра приоткрывается, и часть масла всегда проникает в систему турбины, как и в масляную систему всего силового блока. Клапан останется в полуоткрытом или в полностью открытом состоянии до тех пор, пока масло не нагреется до своей нормы. Таким образом, все инородные частицы, взвеси, которые есть в масле, окажутся рано или поздно в турбине.
Особенности бензиновой турбины
Принцип работы турбонагнетателя для бензинового мотора ничем не отличается от дизельного — здесь используется та же схема. Отработанный бензин проходит в выпускной коллектор, в который врезан патрубок горячей улитки с расположенным в центральном боке лопастным колесом. Выхлопные газы раскручивают турбинное колесо, которое передает силу вращения по оси на колесо компрессора. Отработанные газы выводятся наружу. За счет вращения ротора происходит закачивание в холодную улитку атмосферного воздуха, который поступает в цилиндры мотора. Топливо начинает интенсивнее гореть и увеличивать обороты двигателя.
Многие автомобилисты, которые устанавливают турбину на бензиновые двигатели своих авто или приобретают заводскую комплектацию с турбонаддувом, кроме радости, что мотор на 20-30% увеличил мощность, полка момента достаточно ровная в большем диапазоне оборотов, отработанные газы попадают под норму протокола Евро5, отмечают большие сложности в эксплуатации автомобиля.
[stextbox id=’dzen’]Эффект от полного сгорания топлива и экономии на заправке нивелируется большой требовательностью силового блока к качеству бензина, и, главное, масла, ассортимент которого для турбированных бензиновых моторов ограничен. Менять масляной фильтр потребуется через 5-6 тысяч км пробега.[/stextbox]
Кроме этого, бензиновая турбина в три раза чаще, чем дизельная, становится причиной детонации. Это связано с плохим качеством топлива и неисправностью в работе интеркулера (охладителя воздуха).
Хотя производители и заявляют срок службы турбины в пределах срока работы «родного» двигателя, на практике дизельная турбина служит 30-45% от ресурса мотора, бензиновая — 15-25%.
Тюнинг карбюраторного и инжекторного мотора
Бензиновые инжекторные двигатели проектируются производителем под рабочую турбину на этапе расчетов силы коленвала и объема цилиндров. В турбированный атмосферник закладываются усиленные параметры всех деталей двигателя, от дополнительного хромирования выхлопного патрубка до уплотненных колец.
В случае с дизельными моторами такого нет — почти 95% всех дизелей проектируется или уже с турбокомпрессором, или с учетом установки турбины если не в базовом комплекте, то при тюнинге.
При тюнинге инжекторного мотора переделке подлежит в первую очередь коленчатый вал — его потребуется усилить минимум на 30%. Система выпуска и впуска также потребует переделки и установки фланцев под турбину, дополнительная система маслоподачи должна стабильно крепиться. В этом случае используют технические отверстия в картере, которые забиты заглушками.
Турбина на карбюраторные моторы никогда не проектировалась в условиях КП завода-производителя. Были ограниченные серии карбюраторных турбированных авто, но не для гражданского населения. Но тюнинговать карбюраторный двигатель, увеличив его производительность турбиной, вполне возможно. При переделке карбюраторного мотора под турбину следует учесть главные особенности:
- Интеркулер (радиатор) должен оптимально охлаждать сжатый воздух перед подачей в цилиндры, чтобы предотвратить возможность детонации.
2. Сложность при замене жиклеров на аналогичные большего диаметра.
3. Требуется увеличить объем камеры сгорания и установить дополнительные прокладки, чтобы избежать детонации.
Проблемы турбоямы
Что такое турбояма, отлично знают все водители, чьи автомобили оснащены моторами с нагнетателем воздуха — это провал мощности двигателя на несколько секунд во время выжатой педали газа и затем резкий скачок оборотов, когда даже со стороны видно, что автомобиль на ровном месте тряхнуло.
Технически эффект происходит за счет того, что крыльчатка турбины не может быстро раскрутиться на низких оборотах мотора. Минимальная скорость вращения коленвала и не разогретое масло препятствуют тому, чтобы в цилиндры поступало достаточное количество воздуха. Когда в процессе разогрева поступление кислорода увеличивается, резко растет и выхлоп, который в свою очередь позволяет нагнать в цилиндры больше кислорода. Топливо начинает быстро гореть и дает скачок в частоте оборотов.
Проверенные производители
Делая выбор в сторону установки бензиновой или дизельной турбины, рекомендуется останавливаться на оригинальных агрегатах. Хотя многие ремонтники «турбинисты» скептически отзываются обо всех типах турбин, отмечая их быстрый износ, но оригинальные турбины все же отвечают своим характеристикам, хотя производители, ставя срок их эксплуатации равный сроку хода мотора, и кривят душой. К таким производителям можно отнеси торговые марки:
- IHI – США;
• Borg Warner – Германия;
• Garrett – США;
• Holset – Англия.
Компания Holset выпускает турбины со скользящими лопастями, но агрегаты рассчитаны только на грузовые автомобили.
Если говорить о дизельных моторах, то для них установка турбины абсолютно оправдана — уже невозможно представить себе автомобиль, работающий на дизтопливе без системы турбокомпрессора. Если рассматривать бензиновые моторы, то выбор стандартного атмосферного двигателя во многих случаях предпочтительнее, чем установка турбины. Как альтернативу для увеличения мощности бензинового агрегата часто используют компрессор (supercharger) вместо классической турбины.
