Просто о сложном – как работает автомобильная турбина
До второй половины двадцатого века большая часть автомобилей комплектовалась атмосферными двигателями внутреннего сгорания. Начиная с 60-х годов, автомобили постепенно начинают комплектоваться турбированными двигателями. Тенденция актуальная и по сей день и этим обусловлена популярность деталей для ремонта турбин.
Кстати, запчасти высокого качества или весь узел в сборе можно купить, пройдя по этому адресу: https://turbokorol.com/. Этот сервис реализует турбины и детали для их ремонта по очень привлекательным ценам. Более того, сервис оказывает услуги по замене и по ремонту турбин. Впрочем, вернемся к теме этой публикации и попробуем определиться с тем, как работает турбина и какие преимущества обеспечивает ее применение.
Кратко о принципе действия
Работа двигателя внутреннего сгорания основана на взрыве топливно-воздушной смеси в закрытой камере. Чем больше взрывная сила топливно-воздушной смеси, тем большую мощность может обеспечить двигатель.
- В атмосферных моторах воздух нагнетается в топливо посредством разрежения, которое создается при движении поршней в цилиндрах. В итоге, для более эффективного воздушного обогащения топливной смеси атмосферные двигатели комплектуются поршнями и цилиндрами увеличенного размера, что сказывается увеличением всего агрегата.
- В турбированных моторах воздух нагнетается в цилиндры не естественным образом, как в атмосферном двигателе, а принудительно. Для этого в комплекте с мотором используется турбина и компрессор. Первый рабочий цикл двигателя осуществляется с естественным нагнетанием воздуха. Далее отработанные газы раскручивают крыльчатку турбины, вал которой в свою очередь приводит в действие компрессор. Компрессор нагнетает в цилиндры воздух.
Преимущества турбированных двигателей, в сравнении с атмосферными силовыми установками, заключаются в увеличенной мощности мотора при меньших габаритах, так как нет необходимости делать цилиндры и поршни увеличенного диаметра. Увеличение мощности происходит из-за принудительной подачи воздуха, а не из-за увеличения расхода топлива. Поэтому использование турбины и компрессора делает мотор экономичнее.
Турбина: как работает, почему ломается
Турбина, или, как ее правильно называть – турбокомпрессор, служит для нагнетания воздуха в цилиндры двигателя. Чем больше воздуха попадает в цилиндры, тем больше топлива можно с ним смешать и получить в результате более высокие мощностные характеристики двигателя без увеличения его рабочего объема.
Как устроена турбина
Турбокомпрессор имеет привод от потока выхлопных газов: жесткой связи с какими-либо движущимися частями двигателя у него нет. Это прерогатива, например, компрессора, который приводится непосредственно со шкива коленвала. На первый взгляд «турбина» устроена просто: представьте себе вал, на обои концах которого расположены две крыльчатки. Крыльчатки помещены в герметичные корпуса, «закрученные» на один оборот будто ракушки улитки. Турбинное колесо приводится от потока выхлопных газов: выхлопные газы воздействуют на лопасти турбины, раскручивают его и уходят дальше в выхлопную систему через центральное отверстие улитки. Соединенное валом с турбинным колесом компрессорное (насосное) колесо начинает вращаться с той же скоростью и нагнетать воздух во впускной коллектор. Компрессор всасывает воздух через центральное отверстие, передает его к лопаткам. При этом обеспечивается нагнетание воздуха под заданным давлением. Сжатый воздух направляется дальше во впускную систему двигателя: попадает в цилиндры, проходя через промежуточный охладитель-радиатор (интеркулер). Сжатому воздуху нужно охлаждение, т.к. при сжатии воздух неизбежно нагревается. Подавать нагретый воздух в камеры сгорания бессмысленно: моментально падает КПД двигателя.
Турбокомпрессор оснащен рядом компонентов, обеспечивающих его регулировку, управление и контроль. Часто на дизельных двигателях применяются турбины с «изменяемой геометрией». Геометрия тут действительно меняется, но не турбины как таковой, а ее направляющего аппарата, который представляет собой встроенные в «улитку» турбины планки-лопасти. Эти лопасти, подобно закрылками на крыльях самолета, меняют свое положение относительно насосного колеса. Лопасти приводятся от отдельного актуатора, управляемого соленоидом. Чем ниже скорость работы дизельного двигателя, тем меньше поток и давление выхлопных газов. Следовательно, лопатки принимают большой угол атаки, чтобы сильнее направлять газы на лопасти турбины. С ростом объема выхлопных газов угол атаки лопаток направляющего механизма снижается. Направляющего аппарата у турбин бензиновых двигателей не бывает – в нем нет нужды. Единственные бензиновые турбомоторы с регулируемой геометрией направляющего аппарата турбины применяются на 4- и 6-цилиндровых оппозитных моторах Porsche.
Зато на бензиновых моторах все большее распространение приобретают двухпоточные турбины, в английской терминологии twinscroll. Суть в том, что выпускной коллектор, подводящий выхлопные газы к турбине, «собирает» газы в два раздельных канала. Такое разделение (буквально как в коллекторе типа 4-2-1, также известному как «паук») позволяет снизить противодавление газов в выпускном коллекторе, улучшить его продувку и в итоге немного повысить эффективность двигателя. К тому же и поток газов к турбине в этом случае более равномерный.
Любые автомобильные турбины оснащаются перепускным клапаном (байпас, от англ. bypass – обход). Этот клапан служит для стравливания избытка сжатого компрессором воздуха в момент резкого закрытия дросселя (отпускания педали газа). Если этот воздух не стравливать, он пойдет из впускного коллектора обратно в противоход вращению крыльчатки, в результате чего возможно повреждение элементов ротора компрессора.
Также турбокомпрессоры оснащаются перепускной заслонкой или клапаном на выпуске. Этот клапан называется «уэстгейт» (от англ. wastegate – дословно «ворота растраты», или просто перепускной клапан). Он служит для того, чтобы направлять часть потока выхлопных газов в обход турбины. При этом ограничивается и контролируется скорость вращения ротора турбокомпрессора. Уэстгейт приводится от специального актуатора («вакуумника»), который управляется соленоидом. Обычно соленоид связан и с актуатором, и с впускным коллектором вакуумными трубками.
Важной частью любого турбокомпрессора являются подшипники, на которых удерживается и вращается вал. Подшипники обязательно нуждаются в смазке и охлаждении моторным маслом, которое подводится к ним по специально выделенным каналам. Иногда, в основном на гоночных автомобилях, подшипники турбокомпрессора охлаждаются антифризом (он омывает обоймы, а не сами подшипники).
Турбокомпрессор в целом не считается проблемным и капризным элементом силового агрегата. Эта деталь способна не доставлять проблем весь срок службы двигателя. Если экономить на обслуживании силового агрегата или ездить агрессивно и неаккуратно, снижается срок службы и мотора, и турбины.
Причины поломок турбины
Недостаток смазки и охлаждения
Чаще всего турбина выходит из строя из-за недостатка смазки подшипников, на которые опирается ее вал. Причины, которые привели к масляному голоданию, следует искать вне турбины. Эта поломка приводит к износу подшипников и их перегреву: масло не только смазывает, но и охлаждает. Обычно из-за масляного голодания нормальная рабочая температура подшипников и вала турбины подскакивает с 60-90°С до 400°С (к неотведенному теплу добавляется тепло, выделяемое в подшипниках при трении). При такой температуре остатки масла буквально горят, коксуются и еще сильнее засоряют маслопроводящие каналы и отверстия в подшипниках. Работающие «на сухую» перегретые подшипники быстро изнашиваются, зазор увеличивается до недопустимых размеров. В таких условиях вал турбины может потерять центровку. Это в свою очередь приведет к тому, что роторы турбокомпрессора начнут задевать за корпуса («улитки»). Турбокомпрессор получит серьезные повреждения и либо заклинит, либо разрушатся его внутренние детали.
То, как быстро произойдет поломка турбины и насколько серьезными будут последствия, зависит от характера масляного голодания. Нехватка масла может наступить быстро. Например, в случае обрыва маслопроводящей трубки или резкого уменьшения производительности масляного насоса. Резкое масляное голодание может погубить отремонтированную или новую установленную турбину. Эта неприятность случается при неправильной установке турбокомпрессора, когда в масляных каналах в картридже сохраняется воздушная пробка, которую масло не в состоянии продавить.
Медленное масляное голодание развивается в условиях небольшого недостатка масла из-за, например, снижения производительности масляного насоса, закоксованности масляной магистрали или их перегибов.
Периодическое масляное голодание обычно происходит при резкой остановке турбомотора после серьезных нагрузок. В этом случае прекращается смазка и охлаждение, но в полостях турбины сохраняется высокая температура, при которой масло коксуется и если не забивает масляные каналы, то уменьшает площадь их сечения. В перспективе это может привести к медленному масляному голоданию и связанных с ним поломках.
Загрязненное масло
Нередко моторное масло содержит в себе частицы износа трущихся деталей двигателя. Если фильтр не задерживает абразив, то он неизбежно попадет в масляные каналы турбины (и другие важные детали двигателя). В результате владелец столкнется с поломкой, вызванной износом подшипников, увеличением радиального люфта. В любом случае факты, приводящие к поломке, находятся в двигателе, а не в турбине.
Попадание посторонних предметов
И тут причины неисправности турбины, произошедшие из-за разрушения или повреждения ее лопастей твердыми частицами, лежат за пределами ее корпуса. Чтобы достичь лопастей ротора, обычно это ротор компрессора, посторонние частицы должны попасть во впускную систему двигателя. Как правило мусор прорывается через изношенный воздушный фильтр или через неплотные соединения впускных патрубков. Мелкие частицы вызывают локальные повреждения кромок ротора или их сошлифовывание.
Подпор картерных газов
Картерные газы так или иначе циркулируют в двигателе. Они образуются при прорыве газов из цилиндров через поршневые кольца. Любой двигатель оснащен системой вентиляции этих газов: без нее внутри двигателя (под клапанной крышкой и в картере) образовывалось бы избыточное давление, способное выдавить любые уплотнения двигателя (первыми в этом случае сдаются сальники коленвала или распредвалов). К тому же картерные газы несут в себе частицы сгоревшего топлива, которые обычно отфильтровываются в выхлопной системе.
Одним словом, если система вентиляции картерных газов засоряется или ее производительность снижается по другим причинам, избыточное давление может препятствовать стеканию масла из каналов турбины обратно в двигатель. В этом случае масло будет искать себе другую дорогу. Масло может просачиваться в холодную (компрессорную) часть: отсюда оно попадает в интеркулер, а оттуда – во впускные каналы и, следовательно, в камеры сгорания. Тут оно просто сгорает. В результате можно столкнуться с «жором масла», никак не связанным с состоянием ЦПГ.
Если масло будет уходить в горячую (турбинную) часть, то оно тоже сгорит под действием высоких температур. Правда, сгорание приведет к образованию масляного налета – закоксовыванию – внутри «улитки». Порой приходится сталкиваться с тем, что количество отложений бывает настолько большим, что ротор турбины начинает задевать за него и перестает свободно вращаться.
Также картерные газы могут достичь точек смазки и охлаждения подшипников. В этом случает происходит масляное голодание, закоксовывание маслопроводящих каналов. Все это вновь приводит к выходу турбокомпрессора из строя.
Симптомы неисправности турбины
Любые неисправности в системе наддува воздуха обычно связаны с несвоевременным и некачественным обслуживанием автомобиля либо его эксплуатацией в предельных режимах. Регулярные ТО по технологии производителя машины и применение сертифицированных материалов (масел, фильтров и т.д.) обеспечивают турбокомпрессору надежность и безотказность.
Причины поломок турбокомпрессора обычно кроются не в нем самом, а в двигателе. Если турбина начала подавать тревожные сигналы, то помимо ее ремонта нужно позаботиться о поиске неисправности и ее устранении. Возможно поломку вызвала та или иная подсистема силового агрегата. Если не устранить неисправность, отремонтированный или новый турбокомпрессор, установленный вместо дефектного, быстро выйдет из строя.
Симптомы неисправности турбины можно условно разделить несколько больших частей.
1. Падение мощности двигателя, снижение разгонной динамики. Этот симптом ощущается моментально водителем. Не сложно догадаться, что неисправность следует искать в недостаточном поступлении воздуха в двигатель из-за неисправной системы управления наддувом или его повреждения. Если при этом в моторном отсеке появляется задымление, то следует искать утечку выхлопных газов.
2. Дым из выхлопной трубы подозрительного цвета: сизого (белого, синего) или черного. Дым светлого цвета, валящий из выхлопной трубы при ускорении, является причиной сгорания масла в цилиндрах двигателя. Оно туда может попасть из-за утечек в турбокомпрессоре. Если масло попадает в камеры сгорания, то его следы можно обнаружить в интеркулере и во впускном коллекторе.
Черный цвет выхлопных газов свидетельствует о сгорании в цилиндрах обогащенной топливной смеси. В этом случае следует искать утечки воздуха в «холодной» части турбокомпрессора, включая интеркулер и впускной коллектор.
1. Снижение уровня масла – этот симптом может свидетельствовать как о сгорании масла в цилиндрах, так и о его утечках и сгорании внутри «улитки» турбины.
2. Посторонние шумы при работе турбокомпрессора могут быть вызваны как утечками воздуха или выхлопных газов, так и механическими повреждениями турбины (ее крыльчаток или подшипников).
Ремонт турбины: починка или замена?
Прежде чем решиться на манипуляции с турбиной нужно определить причину неисправности и устранить ее ведь дело может быть вовсе не в турбине. Если же по итогам диагностики была «приговорена» турбина, то и тут не стоит спешить с заменой. Турбокомпрессор – узел, состоящий из ряда компонентов, подлежащих замене и, иногда, ремонту. Можно отдельно поменять любой из роторов, актуатор, клапаны и даже корпус турбины. Также продаются ремкомплекты турбин со всеми необходимыми уплотнениями. Корпус, как правило, разборный: отдельно идут «улитки» турбины и компрессора и центральная часть, называемая «картриджем». В картридж входит центральная часть турбины с подшипниками, сальниками, валом и обоими роторами. Стоимость картриджа варьируется от 200 до 350 рублей. Замена обойдется еще в 200 рублей.
«Базовый» вариант ремонта турбины – это ее замена целиком. Стоимость «б/ушных» турбин на популярные модели автомобилей варьируется от 180 до 500 рублей. Стоимость новых и восстановленных турбин: от 600 до 1500 бел. рублей и выше.
В любом случае, неисправную турбину следует продиагностировать и определить вышедшие из строя детали. «Точечная» замена деталей может продлить жизнь турбокомпрессору и сэкономить деньги.