Турбокомпрессор
Как выхлоп помогает двигателю вдохнуть больше воздуха? Разбери турбокомпрессор на улитки, колеса и привод перепускного клапана и посмотри, как колесо турбины и колесо компрессора крутятся на одном валу.
Выхлоп крутит турбину, а компрессор на том же валу набивает в цилиндры больше воздуха, чем двигатель вдохнул бы сам.
Горячие газы из цилиндров разгоняются в улитке и крутят колесо турбины, а вал передает вращение колесу компрессора. Компрессор сжимает воздух и через интеркулер подает его в цилиндры: чем больше воздуха, тем больше топлива можно сжечь. Вал держится только на пленке масла из системы смазки двигателя. Когда давление дошло до нормы, привод приоткрывает перепускной клапан, и лишние газы идут мимо турбины. Эта турбина с легкового двигателя: на дизелях техники турбины крупнее и не всегда с перепускным клапаном, но устроены так же.
В горах наддув особенно важен. На высоте от 3000 до 4000 м воздух на четверть или на треть реже, чем у моря, и двигатель без наддува теряет примерно столько же мощности. Турбине там приходится крутиться быстрее, чтобы сжать редкий воздух до нужного давления, поэтому для высокогорья ставят турбины с другим колесом или две ступени наддува. Расчет разобран в теме «Турбонаддув и работа в высокогорье».
- πк
- Степень повышения давления. Во сколько раз компрессор поднимает давление воздуха. У карьерных дизелей обычно от 3 до 5, на высоте нужно больше.
- Интеркулер
- Радиатор для воздуха. После компрессора воздух бывает горячее 150 °C. Интеркулер остужает его, и в цилиндр входит больше кислорода.
- Помпаж
- Срыв потока в компрессоре. Когда расход мал, а давление за компрессором высокое, воздух рывками идет назад. Компрессор хлопает, подшипники получают удары.
Как выхлоп сжимает свежий воздух
Газы из цилиндров крутят колесо турбины, а на другом конце того же вала колесо компрессора сжимает воздух для двигателя. Здесь вал еле поворачивается, а в настоящей турбине он делает больше 100 000 оборотов в минуту, и корпус турбины под нагрузкой раскаляется докрасна.
Источник модели«Car Turbocharger», автор kappa_3D, Sketchfab. Лицензия CC BY 4.0. Модель перекрашена, детали объединены и названы по-русски, сетка упрощена и сжата, добавлены разборка, работа и описание деталей.
Что делает каждая деталь
Нажми «Показать на модели»: деталь подсветится, а остальные станут полупрозрачными.
- 01
Корпус компрессора
Зачем. Улитка вокруг колеса компрессора. Воздух входит вдоль оси через широкий патрубок, а выходит сбоку, сжатый, и идет к интеркулеру. Зазор между лопатками и стенкой в доли миллиметра.
Из чего. Литой алюминиевый сплав. Корпус можно повернуть, чтобы выход смотрел на трубу к интеркулеру.
Износ. Задиры на стенке от лопаток: у вала появился люфт, и колесо задело корпус.
- 02
Штуцер отбора давления
Зачем. Ввернут в корпус компрессора там, где воздух уже сжат. Через него давление наддува по шлангу приходит в привод перепускного клапана.
Из чего. Латунь.
Износ. Если штуцер забит грязью или маслом, привод не чувствует давления, клапан не открывается, и наддув растет выше нормы.
- 03
Колесо компрессора
Зачем. Девять лопаток захватывают воздух у оси и отбрасывают к краю колеса. Воздух вылетает с большой скоростью, а в улитке скорость превращается в давление.
Из чего. Алюминиевый сплав: легкое колесо быстро разгоняется. На валу его держит гайка.
Износ. Сбитые кромки лопаток от гайки, камня или куска фильтра во впуске. Пыль через порванный фильтр стачивает кромки, как наждак.
- 04
Прижимная пластина
Зачем. Кольцо с ушками прижимает фланец корпуса подшипников к корпусу компрессора. Пока винты отпущены, корпус компрессора можно повернуть на нужный угол.
Из чего. Штампованная сталь.
Износ. Если винты ослабли, корпус компрессора смещается, и колесо может задеть стенку.
- 05
Винты пластины
Зачем. Шесть винтов притягивают пластину к корпусу компрессора.
Из чего. Сталь. Затягивают крест-накрест с моментом по инструкции.
Износ. Без фиксатора резьбы винты понемногу откручиваются от вибрации.
- 06
Корпус подшипников
Зачем. Средняя часть между улитками. Внутри на масляной пленке крутится вал: плавающие втулки и упорный подшипник спрятаны в корпусе. Сверху сюда под давлением приходит масло двигателя, а снизу оно самотеком стекает в картер и уносит тепло.
Из чего. Серый чугун. У многих турбин в корпусе есть и рубашка, по которой течет охлаждающая жидкость двигателя.
Износ. Нагар от масла, сгоревшего после горячей остановки. Если слив пережат, масло не успевает уйти и выдавливается в улитки.
- 07
Болты корпуса турбины
Зачем. Четыре болта с прижимами держат корпус турбины на фланце корпуса подшипников.
Из чего. Жаропрочная сталь: рядом с горячей улиткой обычные болты отпускаются и вытягиваются.
Износ. От нагрева и остывания болты слабеют, и между корпусами прорываются газы. Их проверяют и подтягивают по инструкции.
- 08
Колесо турбины с валом
Зачем. Газы давят на лопатки и раскручивают колесо. Колесо сварено с валом в одну деталь, а на другом конце вала сидит колесо компрессора: оба крутятся с одной скоростью.
Из чего. Колесо отливают из жаропрочного никелевого сплава, вал из легированной стали приваривают к нему.
Износ. Погнутые и обломанные лопатки от осколков клапана или нагара из цилиндров. Колесо не правят, а меняют: вал с колесами точно балансируют.
- 09
Корпус турбины
Зачем. Улитка, в которую газы приходят из выпускного коллектора через квадратный фланец. Ее канал сужается по кругу, разгоняет газ и направляет его на лопатки колеса. Отработавший газ выходит вдоль оси через круглый фланец в трубу.
Из чего. Жаропрочный чугун с кремнием и молибденом или с никелем. У бензиновых двигателей газы горячее, и корпус бывает стальным.
Износ. Трещины от перегрева и резких перепадов температуры. Черная сажа на фланце: прогорела прокладка или ослабли шпильки.
- 10
Перепускной клапан
Зачем. Заслонка внутри корпуса турбины закрывает обходной канал. Рычаг снаружи поворачивает ее: тогда часть газов идет мимо колеса, и турбина не раскручивается выше предела.
Из чего. Заслонка и ось из жаропрочной стали, ось ходит во втулке корпуса.
Износ. Ось закисает от нагара, и клапан перестает открываться: наддув растет выше нормы, страдают поршни и прокладка головки. Если заслонку заклинило открытой, наддува мало, и двигатель тянет слабо.
- 11
Привод клапана
Зачем. Мембранная камера. Когда давление наддува дошло до нормы, оно прогибает мембрану, сжимает пружину, и шток толкает рычаг перепускного клапана.
Из чего. Стальной корпус, внутри мембрана из резины с тканью и пружина. На новых двигателях вместо камеры бывает электрический привод от блока управления.
Износ. Если лопнула мембрана, клапан не открывается, и наддув растет выше нормы. Длину штока регулируют гайкой: от нее зависит, при каком давлении откроется клапан.
- 12
Шланг давления
Зачем. Передает давление наддува от штуцера на корпусе компрессора в камеру привода.
Из чего. Термостойкий силикон или резина: рядом горячий корпус турбины.
Износ. Если шланг треснул или слетел, привод не получает давления, клапан не открывается, и наддув растет выше нормы.
- 13
Кронштейн привода
Зачем. Держит камеру привода на корпусе компрессора, подальше от горячей улитки турбины.
Из чего. Гнутая листовая сталь.
Износ. Трещины от вибрации. Если кронштейн погнут, шток тянет рычаг под углом, и клапан закрывается неплотно.
Где стоит
- Самосвал и экскаватор
На больших дизелях стоят несколько турбин, по одной или по две на ряд цилиндров. Без наддува двигатель того же размера дал бы в два-три раза меньше мощности.
- Бульдозер и погрузчик
Турбина стоит прямо на выпускном коллекторе, а сжатый воздух остывает в интеркулере рядом с радиатором. Воздух карьера пыльный, и пыль, прошедшая мимо фильтра, стачивает лопатки компрессора.
- Дизель-генератор
С наддувом генератор держит паспортную мощность до заданной высоты, а атмосферный на 4000 м теряет около трети. Для гор его выбирают по паспорту: сколько мощности остается на нужной высоте.
Как ломается и как это заметить
- Горячая остановка
Если заглушить двигатель сразу после тяжелой работы, масло перестает течь, а жар корпуса турбины превращает его остатки в подшипниках в нагар. Поэтому перед остановкой дают поработать на холостом ходу от 3 до 5 минут.
- Люфт, свист и синий дым
Изношенные подшипники дают люфт, колеса задевают корпуса, турбина свистит или воет. Масло уходит мимо колец вала в патрубки интеркулера и в выпуск, из трубы идет синий дым.
- Удар постороннего предмета
Гайка или камень во впуске сбивают лопатки компрессора, обломок клапана в выпуске ломает колесо турбины. Колесо теряет балансировку, и подшипники разбивает за минуты.
Источник модели«Car Turbocharger», автор kappa_3D, Sketchfab. Лицензия CC BY 4.0. Модель перекрашена, детали объединены и названы по-русски, сетка упрощена и сжата, добавлены разборка, работа и описание деталей.