Геометрия турбины что это

о турбине с изменяемой геометрией

Конструкция классической турбины
Упрощенно конструкцию классического турбонагнетателя можно представить в виде двух крыльчаток, соединенных вместе одной осью. Находятся эти крыльчатки в отдельных герметично разделенных камерах. На одну из крыльчаток подводятся выпускные газы работающего двигателя и заставляют ее вращаться. Это вращение передается через совместную ось на вторую крыльчатку, соединенную с подводом атмосферного воздуха. Захваченный крыльчаткой свежий воздух направляется к цилиндрам двигателя для сгорания.

Дело в том, что мощность дизельного двигателя увеличивается за счет подачи большего количества топлива. Но в этом случае мы очень быстро столкнемся с проблемой: увеличив порцию топлива в очередной раз, мы определим, что все оно не сгорает — для его горения не хватает кислорода. Помните школьные уроки, на которых нам утверждали, что горение — это химическая реакция? Это правда. Окисление происходит с помощью кислорода и, если его мало, то нам не удастся сжечь (= окислить) все топливо. В этом случае достигается предел мощности.
Осознав задачу, инженеры разработали турбокомпрессор, который нагнетает дополнительный воздух в камеры сгорания. Есть дополнительный воздух, значит можно увеличить порцию впрыскиваемого топлива и увеличить мощность двигателя
Турбояма
Выпускные газы могут раскрутить крыльчатки турбины до скорости 150 000 — 210 000 об/мин! Если не учитывать геометрические особенности конструкции турбины, то можно вывести простую взаимосвязь: чем больше отработанных газов попадают в турбину, тем выше ее скорость вращения и тем больше свежего воздуха она нагнетает. Именно здесь классическую турбину подстерегает неприятность. Дело в том, что мы ожидаем от турбодвигателя ускорения в любой момент. Представьте себе, что автомобиль двигается с небольшой скоростью, а двигатель работает в нижнем диапазоне частоты вращения. В таком экономном режиме двигатель вырабатывает малое количество отработанных газов и, следовательно, скорость вращения турбины низкая.
Тут водитель решает обогнать автобус, резко нажимает на педаль акселератора и … ничего не происходит. Ожидаемого ускорения нет. Причиной является врожденная задержка турбины, называемая в народе «турбоямой»: сразу же после команды водителя скорость вращения турбины низкая, а двигатель сначала увеличивает впрыск, потом это топливо сгорает и только потом поступает к турбине в виде отработанных газов. Постепенно скорость турбины увеличивается, она нагнетает больше воздуха и вот оно долгожданное ускорение — можно обгонять, но тут на «встречке» вырисовывается другой автомобиль и маневр приходиться откладывать. Неприятно.
Решение пришло в виде турбины с изменяемой геометрией. Ее отличие от классической конструкции — наличие специальных направляющих лепестков в канале, через который на крыльчатку подводятся отработанные газы. Принцип работы умиляет своей простотой.
Принцип работы турбины с изменяемой геометрией

Принцип работы турбокомпрессора с изменяемой геометрией состоит в изменении сечения на входе колеса турбины с целью оптимизировать мощность турбины для заданной нагрузки.
При низких оборотах двигателя и поток отработанных газов является небольшим и он раскручивает турбину недостаточно сильно для резкого ускорения. В этот момент по сигналу блока управления направляющие лопатки смещаются и уменьшают расстояние между собой. Несмотря на то, что объем отработанных газов не увеличился, ему теперь приходиться «протискиваться» через узкий коридор, что заставляет отработанные газы двигаться быстрее.
В результате обороты турбины возрастают и увеличивается давление наддува. Таким образом, удается увеличить скорость вращения турбины без резкого увеличения объема отработанных газов.
На полной скорости работы двигателя и при высоком уровне газового потока турбокомпрессор развдвигает направляющие лепестки, защищая себя от превышения оборотов и поддерживая давление наддува на уровне необходимом двигателю.
Изменение площади сечения (расстояния между направляющими элементами) может управляться непосредственно давлением турбины с помощью привода, с помощью вакуумного регулятора или шагового электромотора
a. корпус турбины
b. крыльчатка для отработанных газов
c. корпус турбокомпрессора
e. ось рычага смещения регулируемого кольца
f. регулируемое кольцо
g. оси направляющих лепестков
h. направляющие лепестки

Изменяемая геометрия турбины

Во время сжигания топлива возникают выхлопные газы. Именно они начинают вращать крыльчатку турбины с огромной скоростью. Чем больше их вырабатывается, тем активнее происходят вращательные движения. Иногда бывает ситуация, когда при ускорении нет нужного объема газов для хорошего разгона авто, а при надавливании на газ происходит задержка (именуемая турбоямой). Чтобы предотвратить такое проявление, используется изменяемая геометрия турбины. Современные автомобили очень часто оснащаются таким агрегатом для улучшения качественных показателей транспорта.

Особенности наддува

Если сравнивать обычное устройство (классика) с изменяемой геометрией, то в последнем – используется лепестки. Они характеризуются направляющим действием и расположены на входе в канал с выхлопными газами. Исходя из нагрузок, которые происходят, меняется также способность прохождения их по каналам турбины. Особенности такого агрегата:

• при малых оборотах двигателя выделяется не слишком много выхлопных газов;

В результате этого автомобиль ускоряется даже без увеличения объема газов, а поток выхлопов растет, лепестки раздвигаются, что приводит к увеличению просвета и установке давления наддува на нужном уровне.

Почему ломается геометрия турбины

Как в любом другом механизме, который работает долгое время, могут происходить нарушения работоспособности и падение качественных показателей.

Выделяют несколько причин, которые могут повлиять на функциональность турбокомпрессора:

• изнашивание элементов вследствие долгого использования, что заканчивается появлением перекосов и люфтов. Очень важно своевременно менять расходные материалы, прокладки и так далее;

Для того чтобы продлить срок службы геометрии турбины и не повредить ее, нужно придерживаться следующих рекомендаций:

• исключить повреждение днища автомобиля.

Как восстановить геометрию турбины

Все элементы, которые работают при больших нагрузках под действием топлива, продуктов сгорания требуют постоянного ухода. Крайне важно проводить чистку геометрии турбины, что позволит не только продлить эффективность, но и продолжительность работы устройства.

В ситуации, когда требуется восстановление агрегата или его полная замена делать это без помощи опытного специалиста не рекомендуется. Только опытный мастер сможет выполнить качественную диагностику и ремонт устройства быстро и качественно.

Установка геометрии турбины

Следует учитывать тот факт, что при создании элементов турбонаддува, на заводе не проводят никаких настроек. Это делают непосредственно при замене, уже перед самой установкой на авто. Чтобы правильно поставить балансировку, а также отрегулировать специалист использует стенд в мастерской. Настройка геометрии турбины длится примерно 15 минут.

Важно помнить, что своевременная профилактика — намного дешевле, чем дальнейший ремонт турбины в случае ее выхода из строя.

Причины поломки «геометрии» турбины

Турбокомпрессорам был посвящен не один текст. Ведь о даунсайзинге известно многим собственникам поддержанных машин, особенно тем, кто заказывал ремонт турбин дизельных и бензиновых двигателей легковых и грузовых автомобилей в Беларуси. Однако, на потенциальной проблеме турбин, имеющих изменяемый тип геометрии, следует остановиться поподробнее. Почему изменяется геометрия турбины и необходимо ли разбирать устройство, чтобы устранить неисправность? Об этом далее.

Что есть турбина с изменяемой геометрией

Турбокомпрессор с меняющейся геометрией приобрел такое название, поскольку в нем встроен направляющий механизм, от которого в зависимости от рабочего режима меняется выходное сечение с углом направления, с которым газы идут по турбинным колесным лопастям. Вне зависимости от двигательной марки с турбокомпрессором, первопричины неполадки устройства несколько, в результате которых требуется ремонт турбин в Минске.
Первой причиной служит износ основных частей ресурса, в итоге появляются чрезмерные виды люфтов. Второй первопричиной является нагар, который откладывается в устройстве и нарушает детальную подвижность. Когда сажи больше положенного, детали начинают серьезно клинить. В любом варианте лопатки прекращают осуществлять поворот в нужном направлении или вовсе его прекращают. Из-за этого наддувное давление не соответствует нужному.

Заклинивание, нагар, сажа

Главное значение в заклинивании отдана нагарообразованию. Источником нагара выступает моторный тип масла. Во время износа поршня, кольца и его направляющие при поломке роторных уплотнений в картридже коксуются. К подобному износу ведет и работа в условиях, которые благоприятны к появлению сажи. Поскольку нагар является результатом топливного сгорания, то топливное качество имеет первостепенное значение. Сажа лучше появляется во время проблем с воспламенением смеси. Это может быть из-за неисправности с нарушениями регулировки зажигания.
Условие передвижения машины тоже влияет на сажевое образование. Сажа появляется, если мотор в недостаточной мере прогрет на пониженных оборотах до включения более высокой передачи и ускоренной езды. При высокоскоростном движении сажа выгорает. По этой причине загородную поездку возможно рассматривать как борьбу с нагарным образованием.
Забитый катализатор, сажевый фильтр изменяет геометрию турбинного компрессора, в результате которой нужно делать ремонт турбин. Из-за трудностей со свободным турбинным выходом, отработанные газы влияют на колесо. Оно приводит к продольному люфту турбокомпрессорного ротора. Геометрия турбины — важный узел всего агрегата.

Разборка и зачистка?

Вне зависимости от производителя, для очистки направляющего аппарата от нагарового отложения, турбокомпрессор необходимо разбирать. Не факт, что зачисткой можно устранить неисправность, поскольку при детальном заклинивании привод может ломаться.
Кроме сажи, заклинивать лопатки устройства могут из-за нахождения лишних деталей внутри выпускного коллектора. Это могут быть поршневые кольца с клапанами. Всегда необходимо заменять турбинный ротор. В противном случае, потребуется купить турбину восстановленную и делать ремонт машины.

ПОДБОР ТУРБИНЫ

Вы обязательно найдёте нужную турбину!

* год указывается примерный, чтобы не дублировать одинаковые турбины для разных годов выпуска авто.

Турбина с изменяемой геометрией

Турбины с изменяемой геометрией отличаются от обычных возможностью адаптации к режиму работы двигателя путем изменения направления и скорости воздушного потока.
Актуальность турбокомпрессоров с изменяемой геометрией обусловлена тем, что для высоких и низких оборотов оптимальные значения данного параметра существенно отличаются. Так, при низких оборотах поток имеет большую скорость, вследствие чего турбина быстро раскручивается, однако предельная пропускная способность невелика. Следовательно, при высоких оборотах турбина изменяет положение шторок обеспечивая предельную пропускную способность, которая так необходима двигателю работоющему на высоких оборотах.
Несмотря на применение турбин с изменяемой геометрией преимущественно на дизельных двигателях, они весьма распространены и набирают популярность. Предполагается, что в 2021 г. такие модели будут занимать более 63 % мирового рынка турбин. Расширение использования этой технологии и ее развитие обусловлено, прежде всего, ужесточением экологических норм.

Устройство турбины с изменяемой геометрией от обычных моделей отличается наличием дополнительного механизма во входной части турбинного корпуса. Существует несколько вариантов его конструкции.
Наиболее распространенным типом является скользящее лопастное кольцо. Данное устройство представлено кольцом с рядом жестко закрепленных лопаток, расположенных вокруг ротора и движущихся относительно неподвижной пластины. Скользящий механизм служит для сужения/расширения прохода для потока газов.
Ввиду того, что лопастное кольцо скользит в осевом направлении, этот механизм весьма компактный, а минимальное количество слабых мест обеспечивает прочность. Данный вариант подходит для больших двигателей, поэтому применяется в основном на грузовиках и автобусах. Он характеризуется простотой, высокой производительностью на «низах», надежностью.
Для управления турбиной с изменяемой геометрией применяются приводы: электрические, гидравлические, пневматические. Контроль турбокомпрессора осуществляет блок управления двигателем (ЭБУ, БУД).
Следует отметить, что для таких турбин не требуется перепускной клапан, так как благодаря точному контролю возможно замедлить поток выхлопных газов не декомпрессионным способом и пропустить избытки через турбину.

Принцип работы турбин с изменяемой геометрией состоит в поддержании оптимального значения потока воздуха и угла завихрения путем изменения площади поперечного сечения впускной части. Он основан на том, что скорость потока выхлопных газов связана обратной зависимостью с шириной канала. Поэтому на «низах» для быстрой раскрутки сечение входной части уменьшается. С ростом оборотов для увеличения потока оно постепенно расширяется.

Среди приводов наиболее распространены пневматические варианты, где управление механизмом осуществляется поршнем, перемещаемым внутри цилиндра воздухом.
Положение лопастей регулируется мембранным приводом, связанным штоком с лопастным кольцом управления, поэтому горловина может постоянно изменяться. Актуатор приводит шток в зависимости от уровня вакуума, противодействуя пружине. Модуляция вакуума контролирует электрический клапан, подающий линейный ток в зависимости от параметров вакуума. Вакуум может создаваться вакуумным насосом усилителя тормозов. Ток подается от аккумулятора и модулирует ЭБУ.
Основной недостаток таких приводов обусловлен сложно предсказуемым состоянием газа после сжатия, особенно при нагреве. Поэтому более совершенными являются гидравлические и электрические приводы.
Гидравлические приводы функционируют по тому же принципу, что и пневматические, но вместо воздуха в цилиндре используется жидкость, которая может быть представлена моторным маслом. К тому же она не сжимается, вследствие чего такая система обеспечивает лучший контроль.
Для перемещения кольца электромагнитный клапан использует давление масла и сигнал ЭБУ. Гидравлический поршень перемещает зубчато-реечный механизм, вращающий зубчатую шестерню, вследствие чего лопасти шарнирно соединяются. Для передачи положения лопасти БУД по кулачку ее привода перемещается аналоговый датчик положения. При малом давлении масла лопасти открыты и закрываются с его возрастанием.
Электрический привод является наиболее точным, так как напряжение может обеспечить очень тонкий контроль. Однако он требует дополнительного охлаждения, которое обеспечивают трубками с охлаждающей жидкостью (в пневматических и гидравлических вариантах для удаления тепла используется жидкость).
Для привода устройства изменения геометрии служит селекторный механизм.
В некоторых моделях турбин используется вращающийся электрический привод с прямым шаговым двигателем. В данном случае положение лопастей регулируется электронным клапаном обратной связи через механизм реечной передачи. Для обратной связи с БУД служит прикрепленный к шестерне кулачок с магниторезистивным датчиком.
При необходимости поворота лопаток ЭБУ обеспечивает подачу тока в определенном диапазоне для перехода их в заданное положение, после чего, получив сигнал от датчика, обесточивает клапан обратной связи.

Блок управления двигателем

Из вышесказанного следует, что принцип работы турбин с изменяемой геометрией основан на оптимальной координации дополнительного механизма в соответствии с режимом работы двигателя. Следовательно, требуется точное его позиционирование и постоянный контроль. Поэтому турбины с изменяемой геометрией контролируются блоками управления двигателем.
Они используют стратегии, направленные либо на максимальную производительность, либо на улучшение экологических показателей. Существует несколько принципов функционирования БУД.
Наиболее распространенный из них предполагает использование справочной информации, основанной на эмпирических данных и моделях двигателя. В данном случае контроллер прямой связи выбирает значения из таблицы и использует обратную связь для сокращения ошибок. Это универсальная технология, позволяющая применять различные стратегии управления.
Основной ее недостаток состоит в ограничениях при переходных процессах (резких ускорениях, переключениях передач). Для его устранения использовали многопараметрические, PD- и PID-контроллеры. Последние считают наиболее перспективными, однако они недостаточно точны во всем диапазоне нагрузок. Это решили путем применения нечеткой логики алгоритмов принятия решений с использованием MAS.
Существует две технологии предоставления справочной информации: модель двигателя средних значений и искусственные нейронные сети. Последняя включает две стратегии. Одна из них предполагает поддержание наддува на заданном уровне, другая — поддержание отрицательной разницы давления. Во втором случае достигаются лучшие экологические показатели, но наблюдается превышение скорости турбины.
Не многие производители занимаются разработкой БУД для турбокомпрессоров с изменяемой геометрией. Подавляющая их часть представлена продукцией автопроизводителей. Однако на рынке существуют некоторые сторонние высококлассные ЭБУ, рассчитанные на такие турбины.

Достоинства и недостатки

Подстройка турбины под режим работы двигателя обеспечивает улучшение всех показателей в сравнении с вариантами с фиксированной геометрией:
• лучшие отзывчивость и производительность во всем диапазоне оборотов;
• более ровная кривая крутящего момента на средних оборотах;
• возможность функционирования двигателя при частичной нагрузке на более эффективной обедненной топливо-воздушной смеси;
• лучшая тепловая эффективность;
• предотвращение чрезмерного наддува на высоких оборотах;
• лучшие экологические показатели;
• меньший расход топлива;
• расширенный рабочий диапазон турбины.
Основным недостатком турбокомпрессоров с изменяемой геометрией является значительно усложненная конструкция. Ввиду наличия дополнительных движущихся элементов и приводов они менее надежны, а обслуживание и ремонт турбин такого типа сложнее. К тому же модификации для бензиновых моторов очень дороги (примерно в 3 раза дороже обычных). Наконец, данные турбины сложно совместить с не рассчитанными на них двигателями.
Следует отметить, что по пиковой производительности турбины с изменяемой геометрией нередко уступают обычным аналогам. Это объясняется потерями в корпусе и вокруг опор подвижных элементов. К тому же максимальная производительность резко падает при отходе от оптимального положения. Однако общая эффективность турбокомпрессоров такой конструкции выше, чем у вариантов с фиксированной геометрией, ввиду большего рабочего диапазона.

Обслуживание и ремонт

Основной операцией обслуживания турбин является чистка. Необходимость в ней обусловлена их взаимодействием с выхлопными газами, представленными продуктами горения топлива и масел. Однако чистка требуется весьма редко. Интенсивное загрязнение свидетельствует о нарушениях режима функционирования, что может быть вызвано чрезмерным давлением, износом прокладок либо втулок крыльчаток, а также поршневого отсека, засорением сапуна.
Турбины с изменяемой геометрией более чувствительны к загрязнению, чем обычные. Это обусловлено тем, что накопление нагара в направляющем аппарате устройства изменения геометрии приводит к его подклиниванию или утрате подвижности. В результате нарушается функционирование турбокомпрессора.
В простейшем случае чистку осуществляют путем использования специальной жидкости, однако нередко требуются ручные работы. Предварительно необходимо разобрать турбину. При отсоединении механизма изменения геометрии следует соблюдать осторожность во избежание обрезания крепежных болтов. Последующее высверливание их обломков может привести к повреждению отверстий. Таким образом, чистка турбины с изменяемой геометрией несколько осложнена.
К тому же нужно учитывать, что при неосторожном обращении с картриджем можно повредить либо деформировать лопасти ротора. В случае его разборки по завершении чистки потребуется балансировка, однако внутри картриджа чистку обычно не делают.
Масляный нагар на колесах свидетельствует о износе поршневых колец либо клапанной группы, а также уплотнений ротора в картридже. Чистка без устранения данных неисправностей двигателя или ремонта турбины нецелесообразна.
После замены картриджа для турбокомпрессоров рассматриваемого типа требуется настройка геометрии. Для этого служат упорный и шершавый регулировочные винты.
Компания Turboparts имеет многолетний опыт в производстве турбин.
Комплектуйте свои автомобили только качественными запчастями!

Наша страница на DRIVE2: