статья .Турбонаддув - история и теория

[minlegali]

«Уважаемая редакция! А вы в курсе, что большинство людей, ездящих на турбированном автомобиле, не знают, как его правильно эксплуатировать? А потом удивляются…»

 

Юрий.

 

 

 

В курсе, Юрий, в курсе… Более того, проведя небольшое социологическое исследование среди водителей, мы услышали о турбонаддуве много нового для себя. Например, то, что он нужен, чтобы «быстрее раскрутить мотор» (?), или «придать топливу новые, улучшенные свойства» (!!!). И так далее. А одна девушка (ездящая, кстати, на турбированном «Пассате» 1.8Т) на вопрос «что вы знаете о турбонаддуве?» вдруг увлеченно прочитала нам, оторопевшим, целую лекцию о том, что «Турбо» «способствует сжиганию жира, стимулирует дренаж в проблемных зонах (?) и повышает тонус и упругость кожи». После последних слов мы насторожились: какая кожа??? Оказалось, что удивившая нас своей подкованностью в этом вопросе девушка имела в виду «ТурбоСлим»*…

 

 

 

 

 

«Уважаемая редакция! А слабо написать о турбонаддуве толково и просто» – без излишнего наукообразия, но, в тоже время, и без глупостей, присущих перу большинства «аффтаров-гуманитариев»?..

 

Вадик.

 

 

 

Не слабо, Вадик. И не надо брать нас «на испуг» – в коллективе нашей редакции нет «аффтаров». Только авторы. И большинство – с техническим образованием. Так что напишем без глупостей. А что до «толковости и простоты», то судите сами. Для кого-то и «Три поросенка» - нечитаемый труд по сопромату, а кому-то и лекции Ландау – книжка на ночь…

 

Итак, начнем?..

 

 

 

 

 

Турбонаддув, часть 1: история и теория (чуть-чуть)

 

 

 

Отслеживая непрекращающийся («уж сколько раз твердили миру…» – см. ранний AutoTop и первые номера TopCar) интерес читателей к теме «турбо», журнал решил возобновить и продолжить освещение этой темы. В качестве партнера и соавтора статей выступает, как и раньше, «Турбо Центр Тюмень» – кому как не ему, имеющему многолетний опыт работы в этой сфере, логично взяться за техническое просвещение масс.

 

Сотрудничество c «Турбо Центром» и отслеживание отдачи от публикаций, а также вопросов, задаваемых клиентами, обращающимися в «Турбо Центр», показали, что тема, освещающая вопросы эксплуатации турбированных двигателей, не просто имеет право на существование – она полезна и несет сугубо практическую нагрузку, давая возможность владельцам турбомоторов экономить на ремонте столь недешевых агрегатов посредством приобретенных знаний. Воистину, ничто не ценится так дешево и не стоит так дорого, как… информация!

 

Итак, слово – директору «Турбо Центра Тюмень» Виноградову Евгению Александровичу:

 

– Действительно, многие автомобилисты не знают, что эксплуатация автомобиля с турбированным мотором должна отличаться от эксплуатации авто с обычным, атмосферным мотором. Вернее, иным должно быть отношение владельца к турбированному мотору. Что я имею в виду? Обо всем по порядку. Начнем с истории турбонаддува и с того, что это вообще за зверь такой…

 

 

 

Из истории турбонаддува.

 

С момента возникновения двигателя внутреннего сгорания инженеры, не прекращая, решали задачу – как повысить его мощность. За сто с лишним лет родилось немало интересных идей и конструкций. Наиболее, пожалуй, замечательной в этом ряду оказалась идея наддува.

 

Выгоды, которые мог бы принести наддув, инженеры видели давно. Еще в 1885 году Готлиб Даймлер (тот самый!) экспериментировал с наддувом своего керосинового двигателя. В начале ХХ века швейцарский инженер Альфред Бюши (Alfred Büchi) тоже решил нагнетать воздух в цилиндры. Делать это он предполагал с помощью турбины, вращаемой отработавшими газами. Инженер теоретически обосновал и в 1905 году застолбил свою идею, получив патент №204630 на «машину, состоящую из последовательно расположенных компрессора, поршневого двигателя и турбины». 1905 год и считается годом рождения турбонаддува, а агрегат Бюши сегодня известен всем как турбокомпрессор.

 

 

 

Для чего все-таки нужен наддув?..

 

Для повышения мощности мотора. Наддув – средство форсирования ДВС, состоящее в предварительном сжатии воздуха, используемого в рабочем цикле мотора. Чем больше воздуха в цилиндре, тем, пропорционально, больше туда можно впрыснуть топлива и качественно сжечь его. Азы. И что, скажете вы? Мотор сам всосет, сколько надо. И да, и нет. Мотор во время такта впуска действительно работает как всасывающий насос – втягивает из атмосферы воздух, необходимый для сгорания топлива. Но на пути воздуха (горючей смеси) «мешаются» воздушный фильтр, изгибы впускных каналов, клапаны, а в бензиновых моторах - еще и дроссельная заслонка. Все это, создавая сопротивление, снижает наполнение цилиндра. Как его повысить? Закачать его (воздух) в цилиндры силой, преодолевая все и вся. То есть – наддуть. Больше воздуха – больше можно сжечь топлива. Искомая мощность нашего двигателя резко выросла. Задача выполнена, все свободны. Просто? «Да, Ватсон, как видите, все просто – надо только увидеть последовательность рассуждений» (Холмс).

 

Наддув – средство форсирования двигателя. А вовсе не средство повышения тонуса и упругости кожи. Турбокомпрессор – агрегат для наддува, использующий для работы энергию выхлопных газов мотора.

 

 

 

…и как он устроен?

 

Просто. Турбокомпрессор (ТКР, или ещё его называют турбонагнетателем) состоит из объединённых в один узел центробежного компрессора и приводящей его в действие газовой турбины. Рабочие колёса турбины и компрессора жёстко закреплены на общем валу. И все: вырывающиеся из цилиндров раскаленные газы крутят турбину (бешено крутят!), та через вал приводит в работу компрессор, а тот своими лопастями нагнетает воздух в цилиндры. Ничего сложного. Казалось бы. Вот только стоит этот небольшой агрегат как все навесное оборудование мотора, вместе взятое… Почему так дорого? Читайте дальше.

 

 

 

Как это все работает?

 

Ух, как работает!

 

Говорят: «Турбина включилась, и мотор «попер»! Это выражение некорректно, так как ТКР начинает свою работу вместе с первыми же оборотами вала двигателя. При запуске двигателя выхлопные газы из коллектора, попадая в улитку турбины, сразу же начинают вращать турбинное колесо. ТКР работает. Почему тогда говорят, что «турбина включилась»? Потому, что пока обороты невелики, скорость выхлопных газов мала; невелика и плотность наддуваемого воздуха. Прирост мощности небольшой. Нажмем на педаль газа. Обороты растут, и внезапно вы чувствуете ощутимый прилив сил: мотор, что называется, «попер»! Турбина «включилась»? Нет, она просто вышла на свои рабочие обороты. Теперь компрессор не просто подает воздух, а многократно сжимает его и посылает в двигатель. Там воздушный заряд уже ждет форсунка, готовая впрыснуть в него соответствующую порцию топлива, и свеча зажигания, готовая поджечь эту ненормально уплотненную смесь. Эффект – адский!

 

 

 

Спокойно, все под контролем!

 

Ну, хорошо – все работает, все крутится, обороты растут, мощность тоже. Соответственно мощности растет количество и давление выхлопных газов, они все сильнее давят на крыльчатку турбины, та все сильнее разгоняет лопасти компрессора, тот все больше нагнетает воздуха в цилиндры, мощность растет – читай фразу с начала… И что дальше? Взрыв? Кто остановит эту адскую машинку?

 

Специальный клапан, перепускающий выхлопные газы, если обороты турбины станут слишком велики. Он не даст оборотам вала двигателя расти неконтролируемо: перепускной клапан управляет давлением воздуха во впускном коллекторе – если оно выше допустимого, клапан открывается, и часть отработавших газов идет, минуя турбину.

 

И таких клапанов, регуляторов и устройств, контролирующих работу ТКР, много. Они учитывают не только нагрузку на двигатель, но и множество других факторов – детонацию в цилиндрах, тепловой режим мотора, токсичность выхлопных газов и т. д. Так что турбокомпрессор – это не только ценный воздух, но спокойствие водителя (а также – экологов и технологов). Все под контролем.

 

 

 

Достоинства двигателей с турбонаддувом:

 

1. Турбонаддув позволяет улучшить мощностные показатели двигателя, не увеличивая его рабочего объёма. Повышение удельной мощности означает снижение удельного же по сравнению с атмосферным двигателем расхода топлива.

 

2. По сравнению с атмосферным двигателем равной мощности турбомотор имеет меньшие вес и габариты.

 

Недостатки двигателей с турбонаддувом:

 

1. Высокая термическая и механическая нагруженность деталей двигателя. Решение этой проблемы приводит к повышению стоимости мотора (упрочение конструкции, применение дорогих сплавов и технологий и т.д.)

 

2. Инерционность турбосистемы – наличие т.н. турбоямы. Выражается в особенностях характеристик мотора и решается применением комбинированных систем наддува, нагнетателями с механическим приводом и т.п.

 

3. Усложнение системы управления двигателем.

 

 

 

Трудности и проблемы ТКР

 

Уж чего-чего, а проблем у конструкторов турбомоторов хватало всегда! Назовем хотя бы одну: та самая турбояма. Это большая и все еще до конца нерешенная проблема, порождающая неадекватность поведения мотора в различных режимах. В основе существования этой проблемы – законы природы, а точнее – инерционность всего, что имеет массу. Вращающиеся детали ТКР – рабочие колеса турбины и компрессора – не могут раскрутиться до рабочих оборотов мгновенно, и на малых оборотах практически у всех турбомоторов имеет место быть нехватка мощности (воздуха-то в цилиндрах маловато!). Казалось бы, сделайте диаметр турбины маленьким – уменьшится ее момент инерции и она раскрутится быстрее! Но количество поступления воздуха зависит от окружной скорости лопаток, которая тем больше, чем больше диаметр ротора! Вот и побалансируйте-ка между этими параметрами!.. Увеличивать обороты? А нагрузка на материалы? Турбонаддув и так работает в экстремальных условиях: высокая температура (не каждый металл выдержит!), очень высокие скорости вращения рабочих колес (окружная скорость на концах лопаток выше, чем начальная скорость ружейной пули – до 300м/сек!). Вечный дефицит охлаждения и смазки (да еще безалаберный хозяин так и норовит подкинуть проблем – то охладиться не даст турбине, глуша мотор сразу после нагрузки, то масло в него зальет абы какое, то еще как проверяет турбину на прочность… Но об этом мы поговорим позже и отдельно – обстоятельно и смакуя последствия этой безалаберности). Куда еще повышать обороты? На керамику переходить? Не готовы еще технологически и массово. Так что, не все так просто, как кажется, когда работу сложнейшего с инженерной точки зрения устройства пытаешься объяснить упрощенно, на пальцах…

 

 

 

Виды наддува

 

Скажем сразу – их много. У каждого вида свои особенности, преимущества и недостатки. Турбонаддув – лишь один, пусть и самый распространенный вид устройства для увеличения плотности воздуха, подаваемого в цилиндры. О видах наддува – отдельная песня, большая и долгая. Турбокомпрессору уже больше ста лет, но до сих пор для большинства из нас этот агрегат – terra incognita. Все, что мы о нем знаем – это то, что он увеличивает мощность, не поддается ремонту и что его можно запросто поставить на любой двигатель. Что из этого правда? Попробуем разобраться.

 

 

 

Существование мифов и неверных представлений о турбонаддуве связано с отсутствием информации о нем: это настоящее «белое пятно в истории техники». Все, что известно – то, что он, турбонаддув, существует и представляет собой сложный неремонтируемый узел. Как его грамотно эксплуатировать – известно не многим. Именно с этим и связаны многочисленные, из года в год, отказы турбин, но владельцев турбированных авто винить в том нельзя: если уж среди специалистов ремонтных заводов и ученых мужей в специализированных НИИ нет единого мнения о турбокомпрессорах (поверьте, это так!), то что говорить о нас с вами! Сон разума рождает чудовищ, отсутствие знаний рождает мифы. Что и имеем…

 

…А имеем проблемы: турбины по‑прежнему, с нерадующей стабильностью выходят из строя. Умирают они практически одинаково. Стоимость же узла – до 2 тысяч. Не рублей. Учитывая, что турбированные моторы давно не редкость, проблема выхода из строя дорогостоящего узла имеет сегодня уже массовый характер даже на автомобилях, которым нет и 3 лет. Но проблема не в турбонаддуве, она – в головах: мы просто не знаем, как с ним, компрессором, обращаться. И как же?

 

В свое время этим вопросом задался и я, занимаясь ремонтом этих специфических агрегатов. Степень неосведомленности в этом вопросе даже специалистов потрясла меня: сотни раз мне приходилось разъяснять обратившимся ко мне людям правила установки, эксплуатации и суть ремонта ТКР. Опыт общения показал однозначно: в большинстве случаев причина выхода из строя турбины – нарушение правил эксплуатации. На них приходится 98% всех случаев отказа ТКР! С этим надо что‑то делать…

 

Начался поиск ответов: перерыты технические библиотеки, проштудированы редкие книги и каталоги, написаны тонны писем специалистам на заводы (вплоть до оборонных), изучены труды близких по теме институтов. Гигантские объемы информации спрессовывались в крупицы драгоценных знаний и опыта – своего и коллег. И сегодня уже можно говорить о проблемах турбокомпрессоров уверенно, грамотно, со знанием дела.

 

 

 

Итак, мифы и правда о турбонаддуве:

 

 

 

 

Главный и самый большой миф – турбокомпрессоры не ремонтируются!

 

Принято считать, что ТКР – неразборный, одноразовый узел и проще его заменить, нежели пытаться восстановить прецизионный агрегат. Проще. Но дорого-о-о…

 

В слове «прецизионный» кроется и причина возникновения этого мифа: то, что имеет высокий уровень технологий и конструкторских разработок, тянет за собой необходимость поддерживать этот уровень и в последующей эксплуатации. А с этим у нас сложно: мы, эксплуатируя авто, не делаем поправок на наличие столь высокоточного оборудования на нашей машине. Ибо не знаем – что ему надо для счастья? Он терпит, сколько может, но как агрегат требовательный, быстро и жестко наказывает нас за безалаберность своей кончиной. Немой укор нашей технической безграмотности… И еще – слово «прецизионный» (в вольном переводе – «исключительно точный») подразумевает высокую культуру не только эксплуатации, но и ремонта: наличия столь же высокоточных стендов, оборудования и инструментов. И в первую очередь – наличия квалифицированных, грамотных кадров. А у нас и с этим непросто! Владельцы, как правило, сами «способны» разобрать ТКР (чем он сложнее стартера-то?). Вот и мыкаются потом обладатели заклинивших турбин: восстанавливать никто не берется, все рекомендуют один путь – замена агрегата! Те, кто и слышать не хочет про возможность ремонта турбокомпрессоров – трезвомыслящие люди. Они правы. Были… Ибо сегодня этот постулат можно оспорить: турбокомпрессоры любых типов, модификаций, производителей подлежат ремонту! Венгрия, Чехия, Германия, Австрия, США, Бразилия, Вьетнам, Индия, Африка, Китай, Польша, Литва, Украина – везде их ремонтируют давно и успешно! Уже четыре года в этом ряду и Тюмень.

 

 

 

Миф второй: турбины «ходят» мало

 

 

Это не так: современная турботехника достаточно надежна. Ресурс турбокомпрессоров практически равен ресурсу мотора, но при одном условии – исправности всех систем двигателя и своевременного ТО. При возникновении неисправностей турбина как наиболее высоконагруженный агрегат часто выходит из строя первой. Поэтому турбокомпрессор можно рассматривать как своего рода индикатор состояния мотора или отсутствия к нему внимания. Причины, по которым турбина может приказать долго жить, самые разные: от механического износа цилиндропоршневой группы до банально забитого пылью воздушного фильтра! Одна из распространенных причин – пресловутый герметик, применение которого категорически запрещено. Но мажут им все подряд – «для надежности»!..

 

Требовательность агрегата к чистоте и порядку принимается нами за его капризность и является почвой для поддержания этого мифа: сэкономили на замене масла – кончили турбину. Вывод: турбины «ходят» мало! Без ног таракан не слышит…

 

 

 

Третий, распространенный среди тюнеров миф: турбировать можно любой мотор!

 

Можно, но не путем простой навески на него турбокомпрессора. Если делать все, как положено, то изменения в конструкции двигателя будут столь велики, что овчинка перестанет стоить выделки. Одной переделкой впускного коллектора здесь не обойдешься, но в этот вопрос углубляться не будем – тема сегодня не та.

 

 

 

Правда же о турбонаддуве состоит в том, что это полезный, достаточно надежный и, с развитием квалифицированного сервиса – ремонтопригодный агрегат, требующий некоторых знаний и повышенной ответственности к его эксплуатации. Вот и вся правда. Все просто, надо только немного поднять свой уровень технической культуры, и тогда многие вопросы отпадут, даже не встав перед нами!

 

текст: Г. Шмидт, Е.Виноградов

 

Итак, в 98% случаев турбины выходят из строя по причине неправильной эксплуатации (см. статью «Турбонаддув: часть 1. Мифы и реальность»). И как эксплуатировать авто с турбиной? Чем эксплуатация турбированного мотора отличается от эксплуатации атмосферного (без турбины)?

 

 

 

Нюансами, от которых все всегда в этой жизни и зависит. Они, нюансы, и в данном случае решают все. Для долгой и беспроблемной эксплуатации мотора с турбонаддувом нужно всего‑то знать эти нюансы (очень простые – читайте ниже) и соблюдать их. И все. Но мы не делаем и этого… А потом приходим к мастеру и спрашиваем – «Почему?». И очень удивляемся, выслушав, что виной всему – не «капризная» турбина, а отсутствие культуры эксплуатации (по причине неосведомленности) либо нежелание ее, культуру, соблюдать. Это ответ на первый вопрос русской интеллигенции: «Кто виноват?»…

 

 

 

Основные причины выхода из строя ТКР:

 

 

 

1. Несвоевременная замена воздушного фильтра. Забитый пылью фильтр создает разрежение на входе в компрессор, не пропуская в него воздух, и масло тогда начинает высасываться из корпуса подшипников ТКР и попадать во впускной коллектор двигателя. Если не устранить эту неисправность (читай – не заменить фильтр), то двигатель, в цилиндры которого пошло масло, рано или поздно получит классический гидроудар. И кольца ТКР закоксуются. Ремонт дешевым не покажется!

 

 

 

2. Гидроудар может произойти и по причине плохого слива масла из ТКР в картер.

 

В этом случае оно пойдет в цилиндры (а куда ему еще деваться?).

 

Почему масло может «не захотеть» покидать турбину?

 

А) Ему это не даст сделать избыточное давление газов в картере вследствие износа цилинд-ропоршневой группы или недостаточной вентиляции картера. Прочистите клапан вентиляции; иначе – готовьтесь к капитальному ремонту мотора…

 

Б) Забита или имеет перегибы сливная магистраль. Вывод: не надо ничего повреждать в моторе, даже если это кажется вам ерундой!

 

В) Уровень масла в картере выше точки присоединения сливной магистрали. Не переливайте масло и не оставляйте работающую машину надолго с большим креном.

 

 

 

3. Масляное голодание (недостаток масла). Ротор турбокомпрессора вращается в очень тонкой масляной пленке (гидроклине), поэтому даже кратковременное (3-5 сек.) прерывание доступа масла ведет к контакту металла о металл, резкому износу пар трения и, в конечном счете – к поломке ТКР.

 

Причины масляного голодания:

 

- неграмотная остановка двигателя

 

- пониженное давление масла (неисправность системы смазки)

 

- попадание в масло антифриза или топлива

 

- нанесение герметика на фланцы масляных каналов при ремонте

 

 

 

4. Несвоевременная замена масла. В процессе работы под действием механических нагрузок, температур и окисления масло в буквальном смысле стареет и загрязняется. Прочность смазывающей пленки падает, детали трутся «всухую», изнашиваются абразивными частицами, накапливающимися в старом масле. Итог: при систематической экономии на масле – кончина ТКР. Впрочем, не только ТКР…

 

 

 

5. Несоответствующее масло. Без комментариев...

 

 

 

6. Быстрая остановка двигателя после нагрузки, ведущая к перегреву турбокомпрессора. О необходимости установки так называемого турботаймера – в следующих статьях.

 

 

 

7. Не отрегулированный угол опережения впрыска. Приводит к догоранию топлива в коллекторе, что в свою очередь приводит к обгоранию (оплавлению) турбинного колеса.

 

 

 

8. Попадание посторонних предметов в ТКР. К сведению: повреждение «холодной» крыльчатки (компрессора) однозначно свидетельствует о попадании предмета снаружи (болт, гайка, тряпка), а повреждение «горячей» крыльчатки (турбины) также однозначно говорит о разрушении деталей внутри двигателя (клапанов, седел клапанов, поршней и т.д.). Воздухом и выхлопными газами повредить колеса турбины и компрессора невозможно.

 

 

 

Наиболее часто, по опыту работы «Турбо Центра», в жизни встречаются случаи 3, 5 и 6. Переходим к ответу на второй вопрос русской интеллигенции: «Что делать?».

 

 

 

Особенности эксплуатации турбированного двигателя:

 

 

 

1. Подшипники турбокомпрессора весьма чувствительны к количеству и чистоте масла, подаваемого в ТКР, а оно забирается из масляной системы двигателя, и поэтому необходимыми условиями нормальной работы подшипникового узла являются своевременная замена масла и фильтрующих элементов, а также применение только рекомендованных заводом-изготовителем марок масел. Крайне не рекомендуется при смене масла применять в турбированных моторах промывочные масла и присадки!

 

 

 

2. Система турбонаддува двигателя должна быть герметична. Без обсуждений!

 

 

 

Рекомендуемые режимы работы двигателя с турбонаддувом:

 

 

 

1. Во избежание подсоса масла из турбокомпрессора и попадания его в цилиндры двигателя нельзя допускать длительной работы двигателя в режиме холостого хода. При вынужденной работе двигателя на оборотах холостого хода необходимо поддерживать повышенную частоту вращения коленчатого вала – не менее 1200‑1600 об./мин.

 

2. После запуска необходимо дать двигателю поработать на холостом ходу 3-5 минут и только после этого выводить его на полную нагрузку.

 

3. Не глушите сразу двигатель, только что работавший с полной нагрузкой! Перед остановкой двигателя после его работы под нагрузкой необходимо дать ему поработать 3-5 минут на холостом ходу во избежание перегрева ротора и подшипников турбокомпрессора.

 

 

 

Резюме: в подавляющем большинстве случаев вскрытие умершего ТКР показывает, что больной умер не от слабого здоровья или врожденных пороков, а от невыносимых условий жизни! Иными словами – дело не в малом ресурсе или конструктивной недоработке турбины, а в пресловутом человеческом факторе, или говоря прямо, в нашей безалаберности по отношению к турбине. С этого разъяснения начинаются почти все беседы инженеров «Турбо Центра» с клиентами, ибо цель настоящего сервисмена – не только получение прибыли, но и повышение культуры обращения со сложной и дорогой техникой. Помните: наше незнание освобождает фирму от ответственности в случае ремонта!

 

Соблюдайте эти несложные правила и получайте удовольствие от езды на исправном турбированном автомобиле!

 

Текст: Е. Виноградов

 

материал скопирован с сайта http://www.topcar-t.ru/ju.html