Принцип роботи турбокомпресора для дизельного двигуна

Для точного визначення несправностей, пов'язаних з турбокомпресором, необхідне знання принципу його роботи. Ніжепріведеннная інформація відноситься до турбокомпресорів масових дизельних двигунів, оскільки вони досить прості.

Турбокомпресор - це компресор, або повітряний насос, який приводиться від турбіни. Турбіна обертається за рахунок використання енергії потоку відпрацьованих газів. Частота обертання турбокомпресора дизельного двигуна знаходиться в межах від 1000 до 130.000 об / хв (це означає, що лопатки турбіни розганяються майже до лінійної швидкості звуку). Турбіна безпосередньо з'єднується з компресором жорсткою віссю. Компресор засмоктує через повітряний фільтр свіже повітря, стискає його і потім під тиском подає у впускний колектор двигуна. Чим більше повітря подається в циліндри, тим більше палива може згоріти, а це підвищує потужність двигуна.

Теоретично існує рівновага потужностей між турбіною і компресором турбокомпресора. Чим більшу енергію мають відпрацьовані гази, тим швидше буде обертатися турбіна. Як наслідок, компресор теж буде обертатися швидше.

Турбокомпресор Garrett в розібраному вигляді

Турбіна складається з корпусу і ротора. Відпрацьовані гази з випускного колектора двигуна потрапляють в приймальний патрубок турбокомпресора. Проходячи по поступово звужується внутрішньому каналу корпусу турбіни, вони прискорюються, а пройшовши цей має форму равлика корпус, прямують до ротора турбіни і приводять її в обертання.

Швидкість обертання турбіни визначається розміром і формою каналу в її корпусі. Це нагадує поливальний шланг: чим більше ви перекриває пальцем вихідний отвір, тим далі б'є струмінь води. Розміри турбіни і її корпусу залежать від конкретного двигуна.

Корпуси турбін значно різняться в залежності від сфери застосування. Корпус турбіни двигуна вантажівки може бути розділений на два паралельних каналу, тому на ротор впливають два потоку відпрацьованих газів. При такому типі корпусу стає можливим використання імпульсного руху потоку газів і досягнення резонансних явищ. Звідси і обов'язковість поділу випускних каналів для кожного циліндра.

У корпусі турбіни, що має подвійний канал, кожен потік розподіляється по всій поверхні ротора турбіни. Інша конструкція корпусу з двома каналами дозволяє використовувати імпульси тиску (потік розподіляється симетрично з кожного боку ротора).

У разі системи з постійним тиском використовується тільки енергія поступального руху відпрацьованих газів. При цьому можуть застосовуватися тільки корпуси турбіни з одним каналом. Цей варіант використовується в корпусах з водяним охолодженням, які застосовуються на суднових двигунах.

У турбокомпресори з великим об'ємом часто встановлюють додаткове кільце з направляючими лопатками. Воно полегшує створення постійного потоку відпрацьованих газів на роторі турбіни і робить можливим регулювання потоку всередині її корпусу.

Корпус турбіни відливається з сплаву з високою термостійкістю. Ротор турбіни також виготовляється з високоякісних матеріалів, що мають високу температурну стійкість. Ту частину, через яку входять відпрацьовані гази, називають впусканням, а йде до вихлопної труби - випуском.

На осі жорстко кріпиться ротор турбіни. Матеріал осі відрізняється від матеріалу, використовуваного для ротора турбіни. Збірка цього з'єднання здійснюється наступним способом. Ось і ротор, що обертаються в протилежних напрямках на дуже великій швидкості, притискують один до одного. Виділяється при терті тепло сплавляє їх один з одним, утворюючи нероз'ємне з'єднання.

Ось в місці з'єднання пустотіла. Ця порожнеча ускладнює передачу тепла від ротора турбіни до її осі. На осі з боку турбіни є поглиблення, в якому розташовується кільце ущільнювача. Робоча поверхня радіальних підшипників зміцнюється і полірується.

Виступаючий бортик, на який буде запрессовано кільце, обробляється з високою точністю. На більш тонкий кінець осі встановлюється ротор компресора; там є різьблення, на яку нагвинчується запобіжна гайка для закріплення ротора. Після того, як вісь виготовлена, вона повинна бути отбалансировал якомога точніше перш ніж вона буде встановлена ​​в корпус.

Компресор складається з корпусу і ротора. Розміри компресора визначаються кількістю повітря, необхідного для двигуна, і швидкістю обертання турбіни. Ротор компресора жорстко закріплений на осі турбіни і, отже, обертається з тією ж швидкістю, що і ротор турбіни.

Лопатки ротора компресора, що виготовляються з алюмінію, мають таку форму, що повітря засмоктується через центр ротора. Усмоктуване таким чином повітря прямує до периферії ротора і за допомогою лопаток відкидається на стінку корпусу компресора. Завдяки цьому повітря стискається і через впускний колектор потрапляє в двигун. Корпус компресора також виготовлений з алюмінію.

Мастило турбокомпресора виробляється від системи змащення двигуна. Корпус осі утворює центральну частину турбокомпресора, розташовану між турбіною і компресором. Ось обертається в підшипниках ковзання. Моторне масло по каналах проходить між корпусом і підшипниками, а також між підшипниками і віссю. У більшості турбокомпресорів радіальні підшипники обертаються зі швидкістю, яка дорівнює половині швидкості осі.

В даний час з'явилися конструкції, в яких підшипник нерухомий, а вісь обертається в масляній ванні. Масло не тільки служить для змащування осі, але і охолоджує її, підшипники і корпус.

Для ущільнення з двох сторін турбокомпресора встановлюються маслоотражательних прокладки. З двох сторін встановлюються також кільця ущільнювачів.

Але, не дивлячись на те, що ці кільця допомагають уникнути витоків масла, вони в дійсності не є прокладками ущільнювачів. Їх потрібно розглядати як елемент, що утруднює витік повітря і газів між турбіною, компресором і корпусом осі. У звичайному режимі роботи турбокомпресора тиск в турбіні і компресорі більше тиску в корпусі осі. Частина газів з турбіни і частина повітря, стислого в компресорі, потрапляють в корпус осі і разом з моторним маслом по зливному мастилопроводу проходять в масляний картер двигуна.

На малюнку показаний шлях, по якому проходить масло всередині корпусу осі турбокомпресора Garrett T04B

Всі масляні ущільнення динамічного типу, тобто працюють на принципі різниці тисків:

1. Різниця в діаметрах осі через дію відцентрових сил утворює різницю тисків, що ускладнює просочування масла до турбіни.

2. З боку турбіни ущільнювальні кільця розташовані в виточках (як в корпусі осі так і на самій осі). Цей же принцип установки кілець застосований і з боку компресора.

Ущільнювальні кільця є елементом, що грає головну роль в забезпеченні герметичності. Крім того, вони передають тепло з осі на корпус.

3. Кільце ущільнювача обертається з тією ж швидкістю, що і вісь. Завдяки наявним в ньому трьох отворів створюється протитиск маслу.

4. Внутрішня форма корпусу осі на рівні кільця герметичності вельми своєрідна з метою запобігання просочування масла до компресора.

5. Тиск в компресорі і турбіні витісняє масло в корпус осі.

Коли обороти двигуна низькі або він працює без навантаження, тиск в корпусі осі більше, ніж в компресорі. У компресорі повітря віджимається від центру на периферію і стискається. Цей же ефект ми можемо спостерігати при швидкому розмішуванні кави в чашці: кава буде відкинутий на стінки чашки. Повітря в компресорі завихряется і відкидається на стінки компресора, після чого цей стиснене повітря надходить у двигун. Тому стає ясно, чому в разі слабкого наддуву в двигуні з турбокомпресором (тобто коли тиск турбокомпресора близько до нуля) за ротором компресора утворюється невелике розрідження.

Природно, при роботі компресора можуть мати місце витоку масла з корпусу осі в компресор. Швидкість обертання осі турбокомпресора може бути настільки високою, що уникнути витоків масла, використовуючи звичайні манжети (встановлювані, наприклад, в коробці передач), неможливо.

Тому в корпус осі встановлюють декілька кілець ущільнювачів, використовуючи різні методи для найбільш якісного ущільнення місць можливого витоку масла.

Ось деякі з них:

Механічний зливний маслопровід турбокомпресора Garrett. У цьому компресорі головну роль при ущільненні грає кільце ущільнювача. Коли двигун працює на малих обертах або без навантаження, за ротором компресора утворюється область зниженого тиску (розрідження). Масло і гази, які знаходяться в корпусі осі, спрямовуються між задньою пластиною і кільцем ущільнювача до компресора. Коли ця суміш проходить через отвори кільця, масло, тяжче, ніж гази, відкидається до зовнішньої сторони кільця, але залишається в корпусі осі, в той час як гази продовжують свій рух в компресорі.

Таким чином, кільце ущільнювача, яке обертається на великій швидкості разом з віссю турбокомпресора, діє як відцентровий сепаратор масла.

Пластина для відводу масла. Більшість виробників турбокомпресорів в тій чи іншій формі використовують цю схему. Це нерухома пластина, розташована поперечно з боку компресора.

Масло, яке від кілець ущільнювачів, стікає по внутрішній стороні пластини вниз, тобто до отвору для зливу масла. Верхня частина цієї пластини має таку форму, що вона постійно знаходиться вище нормального рівня масла в корпусі осі. У разі можливого утворення розрідження в компресорі гази засмоктуються легше, ніж більш важке масло.

З боку турбіни проблема відведення масла не так важлива, якщо взяти до уваги, що в нормальних умовах тиск в турбіні завжди вище, ніж в корпусі осі. При деяких умовах експлуатації може мати місце падіння тиску в турбіні; в такому випадку потрібна установка пластини для відводу масла з боку турбіни.

Регулювання тиску наддуву

Потужність дизельного двигуна обмежена максимальним числом оборотів, рівним приблизно 5000 об / хв. Її можна підняти, тільки збільшивши робочий об'єм двигуна або ступінь стиснення.

З міркувань обмеження маси і розмірів автомобіля його оснащують якомога меншим двигуном, який буде працювати з максимальними оборотами, щоб забезпечити необхідну потужність.

Дизельний двигун працює в широкому діапазоні чисел оборотів. Відповідність потужності турбіни і нерегульованого компресора турбокомпресора означає відповідність створюваного останнім тиску енергії відпрацьованих газів. Збільшуючи потужність двигуна (наприклад, натискаючи на педаль акселератора), ми збільшуємо як кількість відпрацьованих газів, так і тиск наддуву. Недоліком цієї конструкції буде створення занадто високого тиску на максимальних обертах. Пошкодження двигуна уникають, обмежуючи тиск.

Принцип роботи регулятора тиску.
Тиск наддуву в компресорі впливає на мембрану, яка притискається пружиною. Коли сила стислої пружини долається, відкривається регулювальний клапан, зменшуючи потік відпрацьованих газів через турбіну і утримуючи таким чином тиск наддуву нижче певної межі, при перевищенні якого двигун був би пошкоджений. У турбокомпрессорах для дизельних двигунів цей клапан майже завжди вбудований в корпус турбіни. Цим досягається компактність конструкції і точність роботи.

На малюнку представлений в розрізі регулювальний клапан фірми Garrett.

1 - корпус турбіни; 2 - клапан; 3 - ущільнення; 4 - напрямна пружини; 5 - пружини; 6 - клапан; 7 - контргайка; 8 - кришка з відведенням воздуховода; 9 - вентиляційний канал

Верхня частина стрижня клапана порожниста. Ця порожнина закінчується на середині стрижня боковим отвором. Зазвичай тиск у впускному трубопроводі над мембраною вище тиску в корпусі. Ось чому більш холодне повітря з компресора циркулює по порожнини в стрижні до точки кріплення стрижня в корпусі турбіни і потім по вентиляційному воздуховоду до корпусу турбіни. Кришка Мембрани затиснута на корпусі клапана таким чином, що на практиці жодна регулювання зусилля пружини неможлива. Якщо запобіжний клапан не працює як треба, корпус турбіни разом з клапаном повинен бути замінений повністю.

Робота запобіжного клапана фірми KKK.
Цей клапан також може бути вбудований в вихлопну трубу, як окремо від корпусу турбіни, так і в ній. Щоб максимально зменшити передачу тепла, вбудовують безліч теплоізоляційних елементів. Крім цього, корпус клапана має ребра охолодження, які поглинають тепло і розсіюють його в навколишнє повітря.

Тиск наддуву можна також регулювати з боку компресора. При певному тиску регулювальний клапан відкривається і випускає частину повітря в атмосферу або у впускний трубопровід перед компресором. Ця система, правда, має два недоліки. По-перше, що випускається повітря має підвищену температуру, тому термодинамічні переваги турбокомпресора зменшуються. По-друге, якщо тиск регулюється тільки компресором, потрібно занадто велика турбіна, щоб в будь-який момент часу забезпечити потрібну продуктивність компресора. Це викликає збільшення часу реакції на натиснення педалі акселератора, оскільки турбокомпресор спрацьовує з запізненням.

На практиці клапан у компресора використовується як додатковий захист від підвищення тиску спільно з регулятором тиску наддуву.

Зі зменшенням розмірів турбіни і компресора загальна величина сучасних турбокомпресорів також зменшується. При цьому турбіна розташовується все ближче до компресора.

Передача тепла від турбіни до компресора по осі і корпусу осі несприятливо позначається на надійності і довговічності корпусу, а також погіршує тепловіддачу турбокомпресора: повітря повинен бути якомога більш холодним, оскільки холодний (більш щільний) повітря містить більше кисню, ніж гарячий.

В ході розвитку турбокомпресорів для автомобільних дизельних двигунів конструктори постійно шукали нові можливості перешкоджання передачі тепла. При виготовленні корпусу осі стали вбудовувати більшу кількість термокомпенсаціонних елементів, збільшили кількість міститься в корпусі масла.

Так, фірма Garrett виготовила "зморшкуватий" корпус осі, розроблений спеціально для автомобільних двигунів. Цей корпус встановлюється на турбокомпресорі Tз тієї ж фірми. Завдяки особливій формі корпусу досягнуто зниження температури на його внутрішній поверхні, при цьому пікові температури знижені:

а) посиленням вентиляції навколо підстави турбіни, що значно покращує циркуляцію масла і відведення тепла;

б) збільшенням розмірів металевих деталей, щоб прискорити поглинання тепла;

в) використанням охолоджувальних ребер для поліпшення відведення тепла від основи турбіни.