Что такое сурдж турбины

Воздушный “компресс”. Что нужно знать о современных видах наддува

Рассматриваем основные виды наддува, которые применяют на современенных ДВС: турбина, компрессор, электронагнетатель.

За долгие годы такие термины, как турбина, наддув, компрессор, нагнетатель, успели плотно войти в обиход практически любого автолюбителя. Давайте разберемся, для чего в цилиндры нужно “вдувать” воздух под давлением и какие устройства для этого вообще используют.

Не секрет, что для работы ДВС нужно закачать смесь из топлива и воздуха в каждый цилиндр, а затем воспламенить ее, чтобы произошел микровзрыв, который, в свою очередь, толкнет поршень и запустит циклический процесс. Как же увеличить отдачу? Да просто устроить взрыв помощней. А вот тут нюанс: если топлива мы можем подать сколько угодно, то вот закачать больше воздуха можно только при помощи специального нагнетателя наддува.

Турбонаддув

Самым популярным и простым таким устройством является классический турбонагнетатель, работающий за счет энергии выхлопных газов. Он состоит из двух частей (“улиток”), внутри которых на одном валу стоят две крыльчатки: турбинная в “горячей” части (контактирует с отработавшими газами) и компрессорная в отдельном “холодном” корпусе. Турбинное колесо вращается за счет энергии выхлопных газов двигателя, раскручивая тем самым крыльчатку компрессорного колеса. Вот оно, в свою очередь, всасывает в “холодный” корпус разреженный воздух, сжимает его и направляет прямиком в цилиндры: чем больше обороты мотора, тем выше давление на впуске. Если же воздуха образуется в избытке, то специальный клапан стравливает лишнюю порцию в атмосферу (“блоу-офф“) или направляет его обратно на впуск (“байпас“).

Вроде бы получается, что увеличивать давление наддува с турбиной на выхлопных газах можно до бесконечности: поставил здоровенный нагнетатель и получил большую порцию сжатого воздуха. Но не так все просто. Ведь большая турбина имеет широкие каналы и крыльчатку, которую можно раскрутить только на высоких оборотах мотора. А маленький нагнетатель, наоборот, на низких оборотах работает отменно, но на высоких просто не успевает прокачивать через себя большую порцию воздуха. Именно поэтому автомобильные инженеры “играют” с размерами улиток, устанавливают сразу несколько турбин (большую и маленькую) и используют разные хитрые конструкции, чтобы обеспечить компромисс — хорошую тягу турбомотора во всем диапазоне оборотов без задержек и турбоямы. К слову, последним именуют так называемый провал в работе наддувного двигателя на низких оборотах, когда турбина еще не получает достаточно отработавших газов, чтобы раскрутиться и добавить двигателю дополнительных “лошадок”.

Твинскрольная турбина

Так выглядит турбонагнетатель твинскрольного типа. Красный канал — помогает турбине “раздуваться” с низких оборотов, а желтый — эффективен на «верхах».

Одним из видов компромиссного наддува можно назвать турбину типа Twin Scroll. Она имеет двойную “горячую” часть, внутри которой есть пара параллельных каналов разного диаметра. Каждый из них соединен со своей половиной цилиндров и воспринимает от них персональную порцию выхлопных газов для раскрутки единой крыльчатки турбинного колеса: одна доза выхлопов вращает турбинное колесо на низких оборотах (за счет узкого сечения канала первого “горячего” контура), а другая — подает выхлоп в более крупную улитку, которая эффективно работает на повышенных оборотах. В основном твинскрольные нагнетатели нашли применение на малообъемных современных двигателях, где важно получать оптимальный подхват при любой частоте вращения мотора, а также экономить вес и место под капотом. Из недостатков твинскрольной турбины можно отметить сложность конструкции, дороговизну и низкую эффективность работы на высоких оборотах из-за ограничений размера горячей части.

Турбина с изменяемой геометрией

Специальные активные лопатки вокруг крыльчатки «горячей» части турбины, позволяют нагнетателю эффективно работать практически во всем диапазоне оборотов двигателя. В народе такое устройство наддува называют «супертурбиной».

Самым совершенным видом традиционного наддува, который применяется на автомобилях, можно назвать турбокомпрессор с изменяемой геометрией рабочей части (Variable Geometry Turbocharger). Называется он так, поскольку имеет подвижные лопатки вокруг крыльчатки “горячей улитки”. В зависимости от оборотов двигателя специальный электропривод меняет их угол атаки, имитируя маленькую и большую турбины: на низких оборотах лопатки делают впускной канал “горячки” узким, помогая турбинному колесу быстрее раскрутиться, а по мере увеличения оборотов двигателя тракт приоткрывается, чтобы турбина могла получать необходимую для эффективного наддува порцию выхлопных газов. В отличие от твинскрольного нагнетателя турбокомпрессор с изменяемой геометрией может одинаково эффективно работать на всех уровнях оборотов. Поначалу такой тип наддува устанавливали только на турбодизели, поскольку те выделяют меньше тепла, которое компрессор с изменяемой геометрией не любит. Сейчас же турбину VNT научились использовать и на бензиновых двигателях, в частности, на моторе высокофорсированного спорткара Porsche 911 Turbo.

Механический нагнетатель

Еще до того, как начали применять энергию отработавших газов, для наддува использовали механический нагнетатель (чаще всего его называют просто компрессором или “суперчарджером”). В классическом виде это устройство представляет собой корпус, в котором продолговатые роторы-лопасти расположены параллельно друг другу и соединены ременным приводом с коленчатым валом двигателя. Воздух, проходящий между этими винтообразными роторами, сжимается и направляется в цилиндры.

Основное преимущество механического нагнетателя над традиционной турбиной — давление наддува присутствует даже на холостых оборотах двигателя и растет прямо пропорционально частоте вращения коленвала. Вот поэтому турбоямы у двигателей с компрессором попросту не бывает. Плюс стоит отметить звук: так как отработавшие газы в процессе наддува не участвуют, звучание двигателя не искажается и сохраняет свой первозданный вид.

Впрочем, не так все прекрасно, поскольку механический нагнетатель отбирает львиную долю мощности у двигателя (порой до 30%) и гораздо тяжелее турбины, а сам наддув с ростом оборотов получается неравномерным (высокая эффективность достигается только на высоких частотах). Именно поэтому в наше время компрессоры наддува — вещь немного устаревшая и на серийных автомобилях встречается редко. Сейчас моторы c механическими нагнетателями можно встретить на некоторых моделях Toyota, Land Rover, Cadillac и Audi, которые имеют под капотом объемные двигатели (более двух литров).

Различают три вида механических нагнетателей: кулачковый (типа Roots), винтовой (Lysholm) и центробежный. В первых двух для сжатия всасываемого воздуха используются специальные продолговатые роторы-лопасти (у кулачкового их два, у винтового — один), а в последнем типе за это отвечает холодная часть традиционного турбокомпрессора.

Электрический наддув

В эпоху развития электрокаров и различных электронных систем грех не использовать электрическую тягу и для наддува. Конструкция электрического нагнетателя проста: электромотор, который питается от аккумулятора, соединен с валом “холодной” компрессорной части классической турбины. По сути, такая конструкция — идеальный источник нагнетаемого воздуха, поскольку в любой момент может обеспечить максимальное давление на впуске.

Электрокомпрессор Valeo, который устанавливается на двигатель от Audi SQ7, питается от 48 вольтовой батареи, а крыльчатка раскручивается до 70 000 об/мин всего за 250 миллисекунд (глазом моргнуть не успеешь).

Из-за многочисленных трудностей по части бесперебойного питания устройства, на серийные автомобили электротурбину начали ставить только с недавнего времени. В частности, впервые она появилась на “заряженном” кроссовере Audi SQ7, который оснащен 435-сильным четырехлитовым турбодизелем. Электронагнетатель на этом моторе “надувает” воздух в цилиндры только на низких оборотах, а дальше подключаются в работу две классические турбины. Такая схема позволяет получить 900 Нм крутящего момента уже в диапазоне от 1000 (!) до 3 250 об/мин.

Кстати, в автоспорте тоже используют электрическую турбину, но немного для других нужд. Система MGU-H (устаравливается на силовые установки современных болидов Формулы-1) представляет собой электрическое устройство на валу классического турбокомпрессора, которое при необходимости помогает держать турбокомпрессор раскрученным, чтобы в первую очередь избавится от турболага (не путать с турбоямой) — так называемой задержки между нажатием педали газа и попаданием наддувного воздуха в двигатель.

Составные схемы наддува

В погоне за максимальной эффективностью турбодвигателей автомобильные инженеры применяют схемы с несколькими турбинами, а порой даже смешивают вместе разные системы наддува. И все это ради одной цели — получить в одном “коктейле” как можно больше преимуществ и избавится от недостатков.

Отдельного обсуждения заслуживает система Twin turbo или просто — двойной турбонаддув. Все его разновидности можно разбить на три типа (двухступенчатый, параллельный и последовательный), каждый из которых подбирается инженерами для конкретного мотора с учетом его конструкции, характеристик и режимов работы.

Двойной параллельный турбонаддув

Самая простая и популярная схема Twin Turbo представляет собой пару одинаковых турбин, каждая из которых подключена к своей половине цилиндров. Оба турбокомпрессора работают параллельно и отдельно друг от друга, но надувают воздух в единый впускной коллектор.

Бензиновый V-образный двигатель с двойным параллельным наддувом. Оба нагнетателя расположены в развале блока цилиндров для улучшения отклика на нажатие педали акселератора.

За счет того, что каждая турбина раскручивается от “своих” цилиндров, параллельная схема наддува работает линейно практически во всем диапазоне оборотов, создавая эффект атмосферного двигателя большего объема. Данный вид турбонаддува можно встретить на большинстве V-образных двигателях (BMW N74 V12 TwinPower Turbo или Mercedes-Benz M278 V8 Biturbo), где нагнетатели чаще всего устанавливаются в развале блока цилиндров для более быстрого отклика турбомотора на нажатие педали газа. Причем на более современных моторах (например, BMW S63TU от X5 M) обе турбины могут быть твинскрольного типа.

Последовательный Twin turbo

Следующая система также имеет два идентичных турбонагнетателя, но подключены они к одному каналу и включаются по очереди, друг за другом. Одна турбина работает постоянно, а вторая активируется электроникой при определенных условиях (нагрузка на двигатель, частота вращения коленвала, положение педали газа и т.д.). Когда блок управления дает команду включить вторую турбину, специальная заслонка открывается и два нагнетателя работают вместе.

При двойном последовательном наддуве сначала работает только один нагнетатель, а потом к нему присоединяется второй по команде электронных «мозгов». Также стоит обратить внимание на промежуточный охладитель (интеркулер), который применяется на моторах с турбонаддувом и необходим для охлаждения воздуха после его сжатия (холодный воздух имеет более высокую плотность и эффективность)

Правда, бывает, что двумя турбонагнетателями некоторые автопроизводители не ограничиваются. В частности, компания BMW несколько лет назад установила на свой дизельный мотор сразу три турбины, а двигатели Bugatti Veyron (W16 на восемь литров) и вовсе имеют целый квартет из турбонагнетателей.

Двухступенчатый турбонаддув

Данный схема агрегатного наддува является наиболее сложной и в то же время самой эффективной. Тут две турбины разного размера установлены последовательно (большая идет следом за маленькой), а процессом наддува руководят специальные перепускные клапана. Сначала отработавшими газами раскручивается малая турбина, обеспечивающая тягу двигателя на “низах”, а большой нагнетатель параллельно просто пропускает через себя газы и сжатый воздух, находясь в “боевой” готовности.

Так вот, когда обороты повышаются, крупная турбина начинает работать совместно с маленькой. А когда мотор крутится на высоких оборотах, то открываются дополнительные каналы, позволяющие большому нагнетателю во всю силу выдувать воздух на впуск уже без участия малой турбины. Таким образом, получается что-то вроде адаптивного “живого” наддува, для которого не свойственна турбояма и эффект турболага. Встретить двухступенчатый (или последовательно-параллельный) наддув можно на многих турбодизельных двигателях (Opel 2,0 BiTurbo CDTi или Mercedes-Benz OM651). Почему только агрегаты на солярке? Потому что давление наддува в вышеупомянутой схеме достигает весьма высоких значений, на которые большинство серийных бензиновых турбомоторов не рассчитаны.

Так работает система регулируемого двухступенчатого турбонаддува при разных оборотах двигателя

Также к данному типу наддува нужно добавить некую комбинированную схему, которую Volkswagen применяет на одной из модификаций своего 1,4-литрового мотора TSI. Такой мотор имеет и классическую турбину, и приводной компрессор. Работают эти устройства следующим образом: до 3.500 об/мин трудится только механический нагнетатель, прикрывая турбояму. А с ростом оборотов электроника открывает специальный клапан и в двигатель уже поступает наддув от основной газовой турбины, которая уже успела раскрутиться.

Матчасть 7. Основы турбонаддува. Часть 3.

Эта и следующая часть будут несколько сложнее первых двух, в них мы рассмотрим составляющие компрессорной карты, как оценить «соотношение давлений» и массовый расход воздуха вашего двигателя, а так же как рисовать точки на компрессорной карте для правильно подбора турбокомпрессора.
И…положите рядом с собой калькулятор — он вам понадобится при изучении этой и следующей статьи

Для начала обозначим и разъясним некоторые термины, с которыми нам придется столкнуться в этой статье:

Понятие абсолютного и относительного давления.

Под абсолютным давлением мы будем понимать давление относительно полного вакуума. Соответственно оно может быть только больше или равным нулю. На Земле на уровне моря оно принято равным одной атмосфере или 1атм.

Под относительным давлением мы будем понимать давление относительно атмосферного. Соответственно оно может быть как положительным так и отрицательным, в зависимости от того больше или меньше оно чем атмосферное.

Давайте рассмотрим их на примере давления во впускном коллекторе двигателя. Все наверняка видели в своей жизни приборы показывающие наддув. Такие приборы показывают именно относительно давление. На двигателе, работающем на холостом ходу, они показывают разряжение -0.65.-0.75атм. На наддуве мы можем видеть значения 1.0…2.0 и выше атмосфер. Всё это значения относительного давления. Абсолютные значения будут всегда на 1.0 больше, поскольку мы должны добавить одну атмосферу атмосферного давления, относительно которой прибор и показывает свои значения.
Т.е. на ХХ абсолютное давление будет равно +0.25.+0.35, а на наддуве, соответственно 2.0.3.0.

Составляющие компрессорной карты

Компрессорная карта это график, описывающий конкретные характеристики компрессора в различных режимах его работы. Среди этих характеристик мы разберем: эффективность компрессора, диапазон массового расхода воздуха, возможности работы на разных давлениях наддува, а так же скорость вращения вала турбины.

Ниже приведена типичная компрессорная карта с названиями ее составляющих.

Рассмотрим их по порядку:

По вертикальной оси у нас расположен Pressure Ratio, или «соотношение давлений», величина, описываемая как отношение абсолютного давления на выходе из компрессора к абсолютному давлению на его входе:

Где:
PR — соотношение давлений
Pcr — абсолютное давление на выходе компрессора
Pin — абсолютное давление на входе компрессора

*Очень грубо говоря эта величина просто показывает во сколько раз компрессор сжал воздух.

Как рассчитать Pressure Ratio: К примеру мы хотим рассмотреть ситуацию работы компрессора при 0.7 атм наддува в коллекторе. Для начала вспомним что «наддув» это относительное давление, а мы везде оперируем только абсолютным. Поэтому сразу добавляем к нему 1.0 атмосферного давления и дальше имеем в виду что у нас 1.7атм абсолютного давления в коллекторе

. В нашем случае, при нормальном атмосферном давлении на входе в турбину, соотношение давлений будет таким:

PR = Pcr/Pin = 1.7/1.0 = 1.7

Но на самом деле все несколько сложнее. В виду наличия в системе воздушного фильтра давление на входе в компрессор, как правило, несколько меньше атмосферного. В зависимости от размера и качества фильтра оно может быть меньше на 0.02-0.10атм. Допустим у нас оно меньше атмосферного на 0.05атм.

Тогда наша формула приобретет следующий вид:

PR = 1.7/(1.0-0.05) = 1.7 / 0.95 = 1.79

Повторим еще раз — для вычисления Pressure Ratio нам надо знать наддув для которого мы его считаем и разряжение на впуске перед компрессором. После этого

PR = (1.0 + давление на выходе компрессора) / (1.0 — разряжение на впуске)

В случае спортивной машины без воздушного фильтра, мы можем принять наш делитель всегда равным единице и просто считать PR = 1 + ДавлениеНаВыходе.

Air Flow или расход воздуха

По горизонтальной оси у нас расположен «массовый расход воздуха».

Это величина, показывающая, массу воздуха, проходящую за единицу времени через компрессор и, соответственно, дальше через двигатель. Исторически это величина на компрессорных картах выражается в lb/min или по-русски в фунтах воздуха за минуту времени. Фунт это 0.45кг, а минута это 60 секунд

Поскольку, как мы уже проходили, мощность двигателя напрямую зависит от количества топливо-воздушной смеси которая проходит через него, массовый расход, это, одна из главных характеристик которую мы можем получить, изучая компрессорную карту. При прохождении через мотор 1 фунта воздуха в минуту, современные моторы вырабатывает в среднем 9-11 лошадиных сил мощности. Соответственно даже беглый взгляд на компрессорную карту может нам сказать, на какую потенциальную мощность мы можем рассчитывать с этой турбиной. На приведенном выше примере, область работы компрессора заканчивается примерно на 52 фунтах, соответственно эту турбину грубо можно сразу оценить на 500лс.

Граница Surge это крайняя левая линия компрессорной карты. Работа компрессора левее этой границы, т.е. за пределами обозначенной компрессорной картой, связанна с нестабильностью воздушного потока, всплесками и провалами наддува. Длительная работа компрессора в таком режиме приводит к преждевременному выходу его из строя в виду большой переменной нагрузки на подшипники и крыльчатку компрессора.

Турбина может попасть в режим Surge в одном из двух случаев.

Первый самый распространенный — при резком закрытии дросселя, когда массовый расход воздуха через мотор резко падает, но турбина все еще вращается достаточно быстро. Это мгновенно перебрасывает нас влево по компрессорной карте в зону Surge. Но быстрое срабатывание Blow Off клапана восстанавливает расход воздуха через турбины, выпуская избыток наддутого воздуха в атмосферу.

Второй случай — возникновение Surge на режиме полной нагрузки, обычно на низких оборотах, когда турбина только начинает выходить на наддув. Он значительно более опасен, поскольку может продолжаться относительно долго, особенно на высоких передачах. Как правило, это связанно со слишком большой скоростью вращения турбины и большом создаваемом давлении в компрессоре, при относительно малом общем расходе воздуха через мотор. Обычно наблюдается на гибридах с маленькой горячей частью, маленьким A/R горячей части и большой компрессорной частью.

Еще одним способом, помогающим снизить вероятность попадания компрессора в зону Surge является использование компрессорного хаузинга с так называемым «Ported Shroud». Фактически это обводные воздушные каналы, встроенные в компрессорный хаузинг:

Благодаря этим каналам удается сместить границу Surge левее по компрессорной карте, за счет того что часть воздуха может выйти из компрессора назад во впуск. Это позволяет при прочих равных использовать больший компрессор на меньшей турбинной части без возникновения эффекта Surge. Ниже приведено сравнение двух компрессорных карт: с обычным компрессорным хаузингом и со встроенными обводными каналами:

Видно, что есть довольно значительная область карты красного цвета, которая является рабочей для турбины с портированным компрессорным хаузингом, но при этом находится левее границы Surge карты синего цвета, соответствующей обычному хаузингу.

Как это выглядит в реальной жизни? Ниже приведено фото двух турбин 30й серии, первая 3071 без «Ported Shroud», вторая 3076 с заводским «Ported Shroud»

Посмотрим еще раз на нашу компрессорную карту и рассмотрим последние три составляющих:
«Предельная граница эффективности», «Зоны эффективности компрессора» и «Скорость вращения турбины»

Предельная граница эффективности компрессора

Как линия Surge ограничивает карту слева, так граница эффективности ограничивает ее справа. Garrett на своих картах указывает область работы компрессора до 60-58% эффективности. Все, что находится правее этой границы, будет иметь эффективность ниже 58% и использование компрессора в этой области теряет смысл. За этим пределом начинается неоправданно большой нагрев сжимаемого компрессором воздуха, а скорость вращения турбины выходит за допускаемые производителем значения.

Зоны эффективности компрессора

Мы видим концентрические замкнутые линии, расходящиеся из центральной области карты. Возле каждой такой линии подписано значение эффективности компрессора внутри области очерченной этой линией. Самая маленькая область в центральной части соответствует максимально возможной эффективности компрессора. По мере удаления от центра мы будем попадать в области все меньшей и меньшей эффективности пока не упремся либо в предел по Surge слева, либо в предел по производительности справа.

Скорость вращения турбины

Линии, обозначенные на карте как «скорость вращения турбины», показывают с какой скоростью будет вращаться вал турбины в этой области. Значения выражаются в оборотах вала за минуту времени. С ростом скорости вращения турбины у нас увеличивается давление и/или расход воздуха через компрессор. Как видно, эти линии начинают сходиться в области границы зоны эффективности и, как уже было сказано выше, за пределами этой области скорость вращения турбины быстро увеличивается за пределы допустимого.

По материалам Garrett TurboTech.
Перевод и адаптация Oleg Coupe (TurboGarage)

Следующая статья будет по закиси азота

вы всегда можете предложить тему для обсуждения)))

моя страничка, добавляйтесь в друзья)
vk.com/storogilov_a

инстаграм Storogilov

И моя сущность желает по фотографировать, у кого есть желание и время, пишите в личку

Как читать турбокарты

Этот материал возможно поможет вам лучше понимать/считывать информацию с т.н. турбокарт, представленных для большинства компрессоров и явится подсказкой при выборе турбины.

Термин «компрессор», употребляемый мной в статье не является определением механических нагнетателей, а относится к турбинам и к центробежным нагнетателям.

Основные параметры работы компрессоров и турбин в основном показаны на т.н. турбокартах, наглядно иллюстрирующих отношение между величиной давления (Pressure ratio) и объемом/массовым расходом (volume flow rate) воздуха компрессором

Область данных на карте, используемая для центробежных нагнетателей, ограничена линиями Surge line и Choke line, а также максимально допустимой скоростью компрессора (Maximum Permissible Speed)

Итак, что такое Choke line

Правая граница турбокарты

Максимальный расход воздуха центробежного компрессора обычно ограничивается профилем впускного отверстия компрессора. Когда поток воздуха на входе в компрессор достигает скорости звука, дальнейшее увеличение расхода воздуха невозможно. Границу Choke line легко найти на карте по резко падающим линиям скорости (Maximum Permissible Speed) справа.

Обычно линия Choke line показывает границу, когда эффективность компрессора падает ниже 60 — 50 процентов. Например, для карт турбин Garrett это значение составляет 58 %

После выхода за пределы Choke line резко снижается эффективность компрессора. В случае превышения допустимого порога Choke line необходимо подобрать компрессор большего размера.

Что такое Surge line

Левая граница турбокарты, т.н. линия срыва потока.

Все что находится левее этой границы ,представляет из себя область нестабильности потока. Эта область характеризуется скачками давления и характерным звуком из турбины. В обиходе для этого звука используется термин «помпаж» («surging»)

Длительная работа турбины в этой области может привести к ее раннему выходу из строя в связи с превышением нагрузки на ось.

Помпаж обычно возникает в одной из двух ситуаций

Первая и самая разрушительная ситуация — помпаж под нагрузкой. Если такое происходит значит скорее всего ваш компрессор слишком велик.

Вторая ситуация обычно возникает в случае резкого отпускания газа после набора оборотов и давления под нагрузкой. Это происходит из-за того, что массовый поток воздуха резко уменьшен, поскольку дроссельная заслонка закрыта, но компрессор все еще быстро вращается и дает наддув. Это сразу-же переносит нас в левую сторону турбокарты, прямо в зону помпажа

Если у вас возникает подобная ситуация, необходимо задуматься о производительности вашего блоуоффа (Blow — Off Valve).

Blow — Off Valve (Клапан Блоуофф)

Помпаж пройдет сам, когда скорость вращения компрессора снизится и давление упадет. Но так никаких турбин не напосешься.

Для избежания ситуаций, подобной описанной чуть выше, служат антипомпажные клапаны — Блоуофф либо байпасный клапан. Блоуофф управляется давлением во впуске и открывается при скачках, уберегая компрессор от разрушительных нагрузок.

В случае использования байпасного клапана (recirculating bypass valve) сбрасываемый поток воздуха повторно попадает во впуск компрессора.

Блоуофф-же выбрасывает давление в атмосферу, издавая характерное пшиканье.

Efficiency Islands (Островки эффективности)

Представляют собой концентрические области на турбокарте, которые показывают эффективность компрессора в любом месте карты.

Самый маленький «остров» около центра карты является островом пиковой эффективности (peak efficiency island)

Последующие, удаляющиеся от центра кольца, являются показателем снижения эффективности компрессора

Как читать турбокарту

При просмотре параметров турбокомпрессоров сразу натыкаешься на такое понятие как турбокарта (COMPRESSOR MAP). Например, первые установки турбины на ЗМЗ-409 компания ТД Моторс начала делать с турбиной GT2860R.

Если зайти на официальный сайт Garrett с описанием параметров турбокомпрессора то первое, что мы встречаем из характеристик — это турбокарта.

Компрессорная карта или Турбокарта — это графическое представление работы компрессора в различных режимах.
На ней отображаются основные характеристики компрессора:
— эффективность компрессора;
— скорость вращения вала турбины;
— диапазон массового расхода воздуха;
— допустимость работы при различных давлениях наддува.

По вертикальной оси (ось ординат) располагается показатель отношения давлений на выходе и входе компрессора (Pressure ratio), по горизонтальной оси (ось абсцисс) показан массовый расход воздуха прокачиваемый компрессором (Air Flow).

Pressure ratio (отношение давлений) — это отношение абсолютного давления на выходе к абсолютному давлению на входе компрессора.

PR = Pcr / Pin
Где:
PR — соотношение давлений
Pcr — абсолютное давление на выходе компрессора
Pin — абсолютное давление на входе компрессора

Величина PR характеризует степень сжатия воздуха компрессором.

Небольшое отступление: в расчетах используется Абсолютное и Относительное давление.

Под абсолютным давлением понимается давление в условиях полного (абсолютного) вакуума. То есть такое давление, которое показывал бы прибор в космическом (безвоздушном) пространстве. Естественно, такое давление (как и абсолютная температура) может быть только положительным или равняться нулю. Так как на Земле мы практически всегда находимся в атмосфере, то абсолютное давление атмосферы на уровне моря так и назвали «атмосферой», или сокращенно 1атм.

Под относительным принято считать давление относительно атмосферного. Соответственно, относительное давление может быть положительным и отрицательным, но не менее -1 атм. Перевести один тип давления в другой можно по нехитрым формулам:
Ратм=Рабс-1;
Рабс=Ратм+1, где:
Ратм – атмосферное давление,
Рабс – абсолютное давление.
(Р – общепринятое обозначение давления от английского слова Pressure – «давление»).

Как рассчитать Pressure Ratio?
К примеру мы хотим рассмотреть ситуацию работы компрессора при 0.7 атм наддува в коллекторе. Для начала вспомним, что «наддув» это относительное давление, а мы везде оперируем только абсолютным. Поэтому добавляем к нему +1.0 атмосферного давления и дальше имеем в виду что у нас 1.7атм абсолютного давления в коллекторе.
В нашем случае, при нормальном атмосферном давлении на входе в турбину, соотношение давлений будет таким:

PR = Pcr / Pin = 1.7 / 1.0 = 1.7

Здесь мы не учитываем сопротивление воздушного фильтра и воздуховодов перед турбиной. Обычно, в зависимости от вариантов их исполнения, давление на входе уменьшается на 0.02-0.10атм. Тогда формула расчета (при потерях 0.06атм) приобретет вид:

PR = Pcr / Pin = 1.7 / (1.0 — 0.06) = 1.7 / 0.94 = 1.8

Air Flow или расход воздуха

По горизонтальной оси находится «массовый расход воздуха».

Air Flow (расход воздуха) — это величина, показывающая, массу воздуха, проходящую за единицу времени через компрессор и, соответственно, дальше через двигатель.

Исторически это величина на компрессорных картах выражается в lb/min (в фунтах воздуха за минуту времени). Фунт это 0.45кг, а минута это 60 секунд.

Поскольку мощность двигателя напрямую зависит от количества топливо-воздушной смеси которая закачивается в цилиндры, то массовый расход, это, одна из главных характеристик которую мы можем получить, изучая компрессорную карту.
При прохождении через мотор 1 фунта воздуха в минуту, современные моторы вырабатывает в среднем 9-11 лошадиных сил мощности. Поэтому даже беглый взгляд на компрессорную карту может нам сказать, на какую потенциальную мощность мы можем рассчитывать с этой турбиной.
На приведенном выше примере, область работы компрессора заканчивается примерно на 36 фунтах, соответственно эту турбину грубо можно сразу оценить на 360лс.

Граница Surge

Граница Surge (помпаж) это крайняя левая линия компрессорной карты (закрашена красно-розовым цветом).
Работа компрессора левее этой границы, т.е. за пределами обозначенной компрессорной картой, связана с нестабильностью воздушного потока, всплесками и провалами наддува. Длительная работа компрессора в таком режиме приводит к преждевременному выходу его из строя в виду большой переменной нагрузки на подшипники и крыльчатку компрессора.

Турбина может попасть в режим Surge в нескольких случаях.

Первый самый распространенный — при резком закрытии дросселя, когда массовый расход воздуха через мотор резко падает, но турбина все еще вращается достаточно быстро. Это мгновенно перебрасывает нас влево по компрессорной карте в зону Surge. Но быстрое срабатывание Blow Off клапана восстанавливает расход воздуха через турбины, выпуская избыток наддутого воздуха в атмосферу.

Второй случай — возникновение Surge на режиме полной нагрузки, обычно на низких оборотах, когда турбина только начинает выходить на наддув. Он значительно более опасен, поскольку может продолжаться относительно долго, особенно на высоких передачах. Как правило, это связано со слишком большой скоростью вращения турбины и большом создаваемом давлении в компрессоре, при относительно малом общем расходе воздуха через мотор. Обычно наблюдается на гибридах с маленькой горячей частью и большой компрессорной частью.

Третий, связан с износом турбины: сопло турбины повреждено; на крыльчатке турбины отложилось большое количество кокса (продукты горения топлива); заслонки трубопровода открываются не полностью; повреждён интеркулер; сопротивление сжатого воздуха чрезмерно (оно превышает силу его сжатия). Но этот случай относится уже к ремонту, здесь мы его рассматривать не будем.

Уменьшить вероятность попадания компрессора в режим помпажа (Surge) можно с помощью установки корпуса турбины с «Ported Shroud» — обводными воздушными каналами, встроенными в корпус турбины.

Часто такие эксперименты проводят тюнинговые фирмы.
Установка корпуса турбины с «Ported Shroud» позволяет перенаправить часть воздуха из компрессора обратно во впуск и тем самым сдвинуть границу Surge левее по графику турбокарты.
При прочих равных условиях такая конструкция дает возможность использовать больший компрессор при меньшей турбинной части без нежелательных эффектов помпажа.

Граница эффективности компрессора (Choke line)

Как линия Surge ограничивает карту слева, так граница эффективности ограничивает ее справа.
Garrett на своих картах указывает область работы компрессора до 60-58% эффективности. Все, что находится правее этой границы, будет иметь эффективность ниже 58% и использование компрессора в этой области теряет смысл. За этим пределом начинается неоправданно большой нагрев сжимаемого компрессором воздуха, а скорость вращения турбины выходит за допускаемые производителем значения.

Зоны эффективности компрессора

Это концентрические замкнутые линии, расходящиеся из центральной области карты. Возле каждой такой линии подписано значение эффективности компрессора приходящуюся на эту область. Самая маленькая область в центральной части соответствует максимально возможной эффективности компрессора. По мере удаления от центра мы будем попадать в области все меньшей и меньшей эффективности пока не упремся либо в предел по Surge слева, либо в предел по производительности справа.

Скорость вращения турбины (Maximum Permissible Speed)

Линии, обозначенные на карте как «скорость вращения турбины», показывают с какой скоростью будет вращаться вал турбины в этой области. Значения выражаются в оборотах вала за минуту времени. С ростом скорости вращения турбины у нас увеличивается давление и/или расход воздуха через компрессор. Как видно, эти линии начинают сходиться в области границы зоны эффективности и, как уже было сказано выше, за пределами этой области скорость вращения турбины быстро увеличивается за пределы допустимого.

График EXHAUST FLOW CHART показывает зависимость между PR и расходом газов через горячую часть турбокомпрессора. Для данного турбокомпрессора GT2860R существует четыре варианта хаузинга (улитки) с разными значениями A/R.

Что такое сурдж турбины

Сообщение сайта

3S-GE

Просмотр профиля

Группа: Пользователь
Сообщений: 3710
Регистрация: 18.1.2008
Из: Владивосток

Как то, только придя на это форум, я задал вопрос, в чем, по сути, отличие ТМЕ турбы от 9ой.
После обычных баталий, был вынесен вердикт, 9ая турба тупо больше, а если не согласен забаним нахрен.)))
Ну и ладно подумал я, людям важнее стереотипы навеянные западом, нежели холодный тех анализ.
Ну, вот на досуге, я решил вернуться к этому вопросу, отбросив все предрассудки, попытался разобраться в этом вопросе.

И так, пациенты:
Evolution 6.5 : Tommi Makinen Edition
Turbo = TD05RA-15GK2-10.5T (GSR)
Nozzle Area (cm2) = 10.5
Compressor 15GK2 = Aluminium
Inducer = 49.3mm
Exducer = 65mm

Evolution 9
Turbo = TD05HR-16G6-10.5T (GSR)
Compressor 16G6 = Aluminium (GSR)
Inducer = 48.3mm
Exducer = 68mm

Что нам интересно из этих цифр?
Нам интересен TRIM компрессорного колеса, это такой общепринятый термин, используемый при описании турбинного или компрессорного колеса турбины.
Давай определим, что есть трим и с чем его едят?

Trim это величина, показывающая соотношение между индюсером (inducer) и эксдюсером (exducer) турбинного или компрессорного колеса. Еще более точно, это соотношение их площадей.
Диаметр индюсера — это диаметр колеса крыльчатки в той ее части, где воздух входит в крыльчатку, т.е. та часть колеса, которые мы все видим, смотря на вход компрессора, а эксдюсер это диаметр колеса, где воздух из него выходит.

Ну а теперь чутку практики.
Трим у нас высчитывается по простой формуле, формула пропорции.

Evolution 6.5 : Tommi Makinen Edition
Inducer = 49.3mm
Exducer = 65mm

49,3/65*100.
Trim ТМЕ турбины равен 76

Теперь 9ая
Turbo = TD05HR-16G6-10.5T (GSR)
Inducer = 48.3mm
Exducer = 68mm

48,3/68*100 = 71
Trim 9ой турбины равен 71

Данный расчет дает основания полагать, что компрессорное колесо ТМЕ турбины, имеет большую пропускную способность и может накачать большее кол-во воздуха.

Многие из вас скажут, за то у 9ой турбины большой хаузинг.
Но упреждая этот вопрос, я вас спрошу, а что это дает?
И мало кто сможет дать вразумительный ответ….
Ну, давайте разбираться, что есть AR.

A/R (Area/Radius)
Этот параметр описывает геометрическую характеристику компрессорного или турбинного хаузинга.
Технически A/R означает отношение сечения канала хаузинга, деленное на расстояние от центра вала до центра этого сечения:

Вот мы и подошли к самому важному и интересному — значение A/R имеет разное влияние на производительность турбинной части и компрессорной.

A/R компрессора практически не влияет на его производительность. Как правило, хаузинги с большим A/R применяются для оптимизации отдачи в приложениях с малым наддувом, а хаузинги с меньшим A/R компрессора используются для больших значений наддува.

Давайте разберемся, что это значит.

Большой A/R компрессорного хаузинга, по сути расширяет карту эффективности в левую сторону, т.е. в зону surge.
Зона surge это зона компрессорной карты левее основной карты эффективности турбины, т.е. которая лежит левее карты

Работа компрессора левее этой границы, т.е. за пределами обозначенной компрессорной картой, связанна с нестабильностью воздушного потока, всплесками и провалами наддува. Длительная работа компрессора в таком режиме приводит к преждевременному выходу его из строя в виду большой переменной нагрузки на подшипники и крыльчатку компрессора.

Турбина может попасть в режим Surge в одном из двух случаев.

Первый самый распространенный — при резком закрытии дросселя, когда массовый расход воздуха через мотор резко падает, но турбина все еще вращается достаточно быстро. Это мгновенно перебрасывает нас влево по компрессорной карте в зону Surge. Но быстрое срабатывание Blow Off клапана восстанавливает расход воздуха через турбины, выпуская избыток наддутого воздуха в атмосферу.

Второй случай — возникновение Surge на режиме полной нагрузки, обычно на низких оборотах, когда турбина только начинает выходить на наддув. Он значительно более опасен, поскольку может продолжаться относительно долго, особенно на высоких передачах. Как правило, это связанно со слишком большой скоростью вращения турбины и большом создаваемом давлении в компрессоре, при относительно малом общем расходе воздуха через мотор. Обычно наблюдается на гибридах с маленькой горячей частью, маленьким A/R горячей части и большой компрессорной частью.

Для чего же Мицубиси пошло на такой шаг, зачем им это нужно?
Потом что в 9ом поколении появился МИВЕК, он сделал мотор более эффективным на малых оборотах, что позволяет выйти на заданный надув на более ранних оборотах, что неприменно приведет к выходу из зоны эффективности турбокарты в зону Surge. Какое решение будет самым правильным? Правильно увеличить A/R компрессорного хаузинга, тем самым сдвинув зону Surge левее.
Т.е. использование на 9ке, турбин от предыдущих поколений не приемлемо, обратная совместимость же, полная, 9ая турбина может быть использована на любом поколении ЭВО, без каких либо последствий, так как раздуть турбину на раньше мотора с мивеком, им будет проблемно.

Да, несомненно, еще есть турбинная часть наших турбокомпрессоров, но они оба имеют один и тот же размер турбинного хаузинга
Nozzle Area (cm2) = 10.5

И одинаковые размеры колес Turbine Wheel : 56 / 49.2 mm

Хотя по некоторым источникам, отличия все же есть
Turbine Wheel : 56 / 49.2 mm
против
Turbine Wheel : 55.8 / 49.1 mm
Но мне думается это все же неточность измерений или кривой перевод английской системы измерений в метрическую.
Но даже если измерения верны, этими десятками можно пренебречь.

Ну и в итоге напрашивается очень интересный вывод.
Преимущество 9ой турбины, перед ТМЕ турбиной, на нон мивек моторе отсутствует, даже напротив, вес вала ТМЕ турбины на 140гр меньше 9ой, что даст несколько сотен оборотов более раннего спула. Если рассматривать максимальную мощность, то у ТМЕ есть преимущество 76ой Trim против 71ого.

Ну еще можно сделать кое какие выводы про другие турбины, но это можете уже сами)

Основы турбонаддува. Часть 2

Для расшифровки термина Trim введем еще два понятия – «индюсер» и «эксдюсер».
Индюсер (inducer) – это диаметр той части колеса крыльчатки, в которую воздух входит.
Эксдюсер (exducer) – диаметр крыльчатки, откуда воздух выходит.
Trim — это отношение площадей индюсера и эксдюсера компрессора или турбинного колеса.
Турбокомрессор устроен таким образом, что эксдюсер компрессорного колеса больше, чем его индюсер, а эксдюсер турбинного колеса, наоборот, меньше его индюсера.

Рассмотрим конкретный пример:
В турбине GT2871R (Garrett part № 743347-2) имеется компрессорное колесо с эксдюсером 71,0 мм и индюсером 53,1 мм

Соответственно, параметр Trim для такого колеса будет:

От Trim крыльчатки турбины и компрессора зависит ее производительность. Чем больше значение trim, тем больший поток воздуха проходит через крыльчатку за единицу времени, и тем больше воздуха будет поступать в цилиндры двигателя.

A/R корпуса турбины (хаузинга)

»Хаузингом» у автолюбителей называется корпус турбины или компрессора. A/R, или Area/Radius (буквально, Площадь/Радиус) описывает геометрию турбинного или компрессорного хаузинга (корпуса турбины). Технически A/R обозначает отношение площади сечения канала хаузинга (корпус турбины) к расстоянию от центра вала до центра сечения:

Параметр A/R по разному влияет на производительность компрессорной и турбинной части:

A/R компрессора на производительность почти не влияет. Обычно хаузинги (корпус турбины) с большим значением A/R используются для оптимизации отдачи в турбинах с малым наддувом, а для больших значений наддува применяются хаузинги (корпуса турбин) с меньшим показателем A/R компрессора.

И, наоборот, влияние A/R турбины на ее производительность весьма значительно. Собственно, этот параметр и определяет то, какой поток воздуха способна пропустить через себя турбина. Используя меньшее значение A/R, можно увеличить скорость потока воздуха в хаузинге турбины (корпуса турбины). При этом появляется возможность увеличить отдачу турбины в диапазоне низких нагрузок, а также происходит более быстрый отклик турбины на дроссель. Кроме этого, снижается значение минимальных оборотов двигателя, которое необходимо для выхода турбины в режим рабочего наддува.

Однако, низкий A/R турбины имеет и свои недостатки. Газы попадают на крыльчатку почти по касательной траектории, что существенно уменьшает максимальный поток газов, который может пройти через турбинное колесо. Кроме того, при меньших значениях A/R увеличивается подпор газа перед турбиной, повышается EGT и ухудшается продувка двигателя на высоких оборотах. В итоге, снижается максимальная пиковая мощность мотора.

Выбор конкретного хаузинга для двигателя сводится к компромиссу между пиковой мощностью и ранним наддувом. При этом необходимо также учитывать внутреннюю конструкцию хаузинга (корпус турбины). Несовершенная форма канала, погрешности литья, а также переходы между разными типами сечения — все это может ощутимо ухудшить технические характеристики горячего хаузинга (корпуса турбины). Например, в ходе экспериментов установлено, что турбинные хаузинги марки TiAL, имеющие круглый вход, обладают более эффективной аэродинамикой и обеспечивают лучшую продувку на больших оборотах, чем обычные чугунные хаузинги (корпуса турбин) с прямоугольным входом.

При выборе оптимального показателя A/R рекомендуется учитывать и эффективность работы выпускного тракта, расположенного после турбины. Применение прямоточных выхлопных систем с большим сечением дает возможность выбрать меньший А/R турбины и получить более ранний выход в режим наддува при том же значении пиковой мощности.

Типы выпускных коллекторов и влияние на производительность турбины

Практически все турбоколлекторы можно разделить на два вида: трубные сварные и литые (log-style):

Чтобы достичь максимальной производительности турбоколектора, следует придерживаться следующих общих рекомендаций:

— стараться избегать резких изгибов, так как ранеры с малым радиусом поворота поглощают полезную энергию газовых потоков («ранером» называется канал коллектора от фланца прилегающего к головке блока цилиндров до фланца состыковывающегося с турбокомпрессором);
— добиваться одинаковой длины ранеров, чтобы избежать перекрестного наложения выхлопных импульсов.
— избегать резких переходов площади и формы сечения;
— избегать резких углов в сводах ранеров, чтобы сохранить скорость и направление потока воздуха;
— избегать больших объемов коллектора для лучшей отзывчивости турбины и, наоборот, использовать больший объем коллектора для достижения большей пиковой мощности;
— выбирать оптимальное отношение длины ранеров («ранер» называется канал коллектора от фланца прилегающего к головке блока цилиндров до фланца состыковывающегося с турбокомпрессором) и объема коллектора, учитывая объем двигателя и диапазон оборотов, на которых требуется получить наибольшую отдачу.

Использование литых коллекторов в основном встречается в стандартной заводской комплектации, а сварные трубные коллекторы обычно используются в спортивных вариантах двигателей. Оба типа коллекторов имеют свои недостатки и достоинства.

Литые коллекторы более компактны, и в связи с массовым производством имеют меньшую стоимость.

Трубные коллекторы изготавливаются в единичных экземплярах (малых сериях) для каждого конкретного случая. При этом не требуется сложной предварительной организации технологического процесса, как в случае литых коллекторов. Оптимально изготовленный трубный коллектор имеет значительно большую производительность по сравнению с литым коллектором, а также длительный срок эксплуатации.

Твинскрольные коллекторы

Твинскрольные коллекторы используются только с турбокомпрессорами, имеющими твинскрольную конструкцию и бывают как сварными трубными, так и литыми. Эти коллекторы эксплуатируются совместно с подходящим твинскрольным турбинным хаузингом(корпуса турбин).

Такая конструкция позволяет более эффективно использовать выхлопной импульс каждого цилиндра за счет разделения пересекающихся рабочих циклов. Например, если 4-х цилиндровый двигатель имеет порядок работы цилиндров согласно схемы: 1-3-4-2, то в начале фазы выпуска цилиндра №1 выпускная фаза в цилиндре под номером 2 еще не закончена, и поэтому его выпускной клапан находится в открытом положении. В зависимости от значения параметра перекрытия, в этот же момент времени может быть открыт также впускной клапан второго цилиндра. В обычном, нетвинскрольном коллекторе высокое давление, создаваемое первым цилиндром, перебивает течение потока второго цилиндра и не позволяет ему полностью продуться в начальной стадии впуска. Кроме того, при этом теряется часть энергии потока из первого цилиндра.

Оптимальной компоновкой твинскрольного коллектора, в описанном случае, будет группировка цилиндров по схеме: №№ 1 и 4 в одной части коллектора, а остальные два цилиндра (№№ 2 и 3) — в другой.

Пример турбинного твинскрольного хаузинга:

Оптимальное использование энергии выхлопных газов, происходящее в твинскрольных системах улучшает отзывчивость турбины на малых оборотах, а также позволяет получить большую мощность на больших оборотах двигателя.

Степень сжатия турбодвигателей

Прежде чем обсуждать такие понятия как давлению наддува и степень сжатия, рассмотрим такой неприятный процесс как детонация. Детонацией называется спонтанное (самопроизвольное) быстротекущее сгорание топливновоздушной смеси в цилиндрах двигателя. В результате детонации в камере сгорания происходят резкие и значительные по величине всплески давления, что приводит к преждевременному износу вкладышей и механическому разрушению поршневой группы.

Основными причинами, способствующими возникновению детонации является:

— неустойчивость к детонации конкретной модели двигателя. Так как у всех моторов имеются множество конструктивных особенностей, то практически невозможно рассчитать его склонность к детонации. На этот параметр могут влиять такие факторы как форма и размер камеры сгорания, расположение свечей зажигания, степень сжатия топливовоздушной смеси, диаметр цилиндров, качество распыления топлива и т.п.

— влияние на работу турбодвигателя внешних условий. На склонность к детонации влияют такие характеристики всасываемого турбиной воздуха, как температура и влажность. Кроме того, большое значение имеет, какой воздух поступит в цилиндры двигателя после турбины. Чем выше степень наддува, тем больше температура поступающего в цилиндры воздуха, и тем, соответственно, больше вероятность возникновения детонации. Избежать детонации перегретого воздуха, как правило, помогает эффективный интеркулер;

— октановое число топлива. Октан топлива — это величина, показывающая устойчивость топлива к детонации. Октановое число стандартных гражданских бензинов находится в пределах от 92 до 98 единиц. Особые спортивные виды топлива могут иметь октан 100-120 единиц и выше;

— настройки блока управления. На устойчивость двигателя к детонации в значительной степени влияют такие параметры, как соотношение воздух/топливо и угол зажигания.

Теперь, разобравшись с основными причинами возникновения детонации, рассмотрим такое понятие, как степень сжатия. Эту характеристику можно определить по следующей формуле:

Где: CR — степень сжатия,
Vcv — объем камеры сгорания,
Vd — объем цилиндра

Степень сжатия (СЖ) заводских моторов для атмосферных и турбированных двигателей будет различаться. Например, у турбомотора Subaru WRX СЖ будет 8,8:1, а у стокового мотора Honda S2000 – 11,1:1.

Имеется много параметров, влияющих на максимально возможную степень сжатия. Единого критерия, позволяющего вычислить максимальную СЖ практически не существует. Есть лишь общее правило, рекомендующее выбирать СЖ максимально возможной, но не вызывающей детонацию, и, одновременно, обеспечивающей максимальный КПД двигателя. При этом необходимо учитывать такие факторы, как октановое число топлива, температуру воздуха, давление наддува, форму камеры сгорания, противодавление в коллекторе и фазы клапанного механизма.

Некоторые современные атмосферные моторы имеют настолько проработанный дизайн камеры сгорания и значительную устойчивость к детонации, что на них можно устанавливать турбонаддув без изменения заводской степени сжатия (если произведена правильная настройка блока управления).

Как правило, при турбировании атмосферных двигателей увеличение мощности составляет 60-100%. Тем не менее, для достижения очень больших значений наддува необходимо уменьшение заводской степени сжатия.

Соотношение воздух/топливо, или параметр AFR

При настройке двигателя, выбор оптимального значения AFR, пожалуй, самый важный вопрос. Правильная настройка AFR влияет как на надежность мотора, так и на его производительность.
Параметр AFR определяется как отношение количества воздуха, поступившего в цилиндр двигателя к количеству попавшего в него топлива. Для оценки качества топливовоздушной смеси используется такое понятие, как стехиометрическая смесь.
Стехиометрическая смесь это топливовоздушная смесь в такой пропорции, когда она сгорает полностью. Стехиометрия для бензиновых двигателей – это соотношение 14,7:1. То есть на каждую массовую часть топлива полагается 14,7 частей воздуха.

Теперь рассмотрим понятия «бедной» и «богатой» топливовоздушной смеси. При более низких значениях AFR в смеси содержится меньшее количество воздуха и такую смесь называют богатой. И, наоборот, при больших значениях AFR в топливе содержится больше воздуха, и такая смесь называются бедной.

AFR=16,0:1 – бедная,
AFR=14,7:1 – стехиометрическая,
AFR=14,0:1 – богатая.

При использовании бедной смеси происходит повышение температуры ее горения. Применение богатой топливовоздушной смеси позволяет, наоборот, уменьшить температуру горения. Атмосферные моторы, как правило, достигают максимальной эффективности при работе на смеси немного богаче стехиометрии. Практически, AFR топливовоздушной смеси стараются поддерживать на уровне 12:1 — 13:1, чтобы обеспечить дополнительное охлаждение. Для атмосферных двигателей это хороший AFR, но для турбодвигателей такой диапазон может оказаться очень опасным. Чтобы уменьшить температуру в камере сгорания турбированного мотора и повысить его устойчивость к детонации, а также снизить температуру выхлопных газов, что позволяет увеличить срок службы коллектора и турбины, на практике используют еще более богатую смесь, чем для обычных двигателей.

Чтобы добиться от турбодвигателя максимальной эффективности и при этом сохранить его ресурс, настройщику приходится тщательно подбирать оптимальное соотношение трех основных, влияющих на детонацию параметров:
— обогащение смеси;
— уменьшение давление наддува;
— использование более позднего зажигания.

Так ли страшна турбина? Как правильно ездить с турбомотором и сколько может стоить ремонт

В России панически боятся турбированных моторов, предпочитая менее мощные и эффективные «атмосферники». Разбираемся, как не «убить» турбину раньше срока и во сколько встанет ее обслуживание или замена.

В нашей прошлой публикации мы уже сравнивали турбированный и атмосферный моторы, пытаясь понять, в чем их отличие и какой из них лучше выбрать. Допустим, что вы уже приобрели машину с наддувным двигателем или вот-вот собираетесь ее купить.

Как устроена турбина?

В общем-то, турбокомпрессор устроен просто. Главная деталь — это картридж. Внутри него размещается вал, а с двух противоположных концов к этому валу прикреплены турбинные колеса. Для того чтобы вал нормально вращался и не грелся, к нему под давлением подается моторное масло. Также к картриджу идет и трубка с антифризом для дополнительного охлаждения.

По бокам к корпусу картриджа прикреплены две «улитки» — горячая и холодная, внутри которых вращаются турбинные колеса. В горячую поступают выхлопные газы, раскручивают колесо, а затем «улетают» в выхлопную трубу через боковое отверстие улитки. Турбоколесо в холодной улитке всасывает чистый атмосферный воздух из впускного тракта и гонит его под сильным давлением дальше во впускной тракт к цилиндрам мотора.

Такова общая схема турбины, и мы не будем сейчас вдаваться в тонкости конструкции и различные варианты компоновки. Впрочем, стоит упомянуть новое поколение турбин, где масло подается под более низким давлением, а вал вращается в очень дорогих и сверхпрочных шариковых подшипниках.

Будет ли турбина «есть» масло?

Как мы уже говорили, без масла турбина работать не может. Обычно для герметизации вращающихся валов используют резиновые сальники (как в двигателе и коробке передач), но никакие сальники не смогут выдержать режимы работы турбины. Рабочая температура в ней достигает тысячи градусов, а частота вращения валов — сотен тысяч оборотов в минуту. Это намного более суровые условия, чем в моторе.

Валы и втулки в турбине подогнаны друг к другу с очень высокой точностью, и за счет этого масло не должно сочиться сквозь них, если турбина исправна. Но как только зазоры увеличиваются, масло через «холодную» часть турбины засасывает во впускной коллектор двигателя вместе с нагнетаемым воздухом. В таких случаях говорят, что «турбина гонит масло».

Из-за чего это происходит?

• Естественный износ рабочих поверхностей валов и втулок.
• Пониженное давление масла в двигателе: турбине не хватает смазки, и она сильнее изнашивается.
• Повышенное давление масла в двигателе: масло попросту выдавливает через щели между втулками и валами.
• Повышенное разрежение во впускном коллекторе — масло из турбины туда засасывает. В результате двигатели, где зазоры в цилиндрах близки к идеальным, угар масла из-за неисправной турбины может достигать нескольких литров на сотню километров. Вот этого-то и боятся сторонники безнаддувных моторов.

Каков ресурс турбины?

Здесь все очень индивидуально и зависит от стиля езды. В среднем на бензиновых двигателях ресурс турбины составляет 150 тысяч километров. На дизельных двигателях — 250 тысяч километров. Однако если ездить быстро, перекручивая двигатель и турбину, то ресурс может сократиться и до 100, и до 60 тысяч.

Как понять, что турбина просится в ремонт?

Главный признак скорой кончины турбины — синеватый дым из выхлопной трубы. Его появление означает, что в цилиндрах вместе с топливовоздушной смесью сгорает масло. Весьма вероятно, что во впуск это масло попало именно через турбину. Чтобы провести диагностику, не нужно обладать дипломом автослесаря. Достаточно иметь книжку по устройству автомобиля, где нарисовано расположение узлов под капотом, и немного свободного времени.

• Найдите впускной патрубок, по которому воздух попадает в турбину и открутите его. Засуньте руку в «улитку» турбины и нащупайте вал, на котором закреплена крыльчатка. Покачайте его, и если есть люфт, то через щели наверняка сочится масло.
• Найдите интеркулер и загляните внутрь. Если внутри есть масло, то турбина его «гонит». Чем больше масла, тем выше износ.

Еще иногда на приборной доске турбированных автомобилей есть указатели температуры и давления турбины. Соответственно температура не должна быть повышенной, а давление — пониженным.

Все эти советы обязательно нужно учесть, если вы покупаете турбированную машину с пробегом. Турбина — вещь дорогостоящая, и ее дефект может обернуться для вас, как для будущего владельца, крупными затратами.

Сколько стоит ремонт турбины и что в ней ремонтируется?

Когда турбина выходит из строя, можно пойти тремя путями.

Поменять турбину целиком. Чаще всего это совершенно лишняя затея, потому как масло гонит картридж, а корпуса-«улитки» остаются целыми и менять их не нужно. Замену турбины в сборе любят предлагать официальные дилеры и мультибрендовые сервисы, мастера на которых плохо разбираются в турбинах и ставят задачу получить с клиента максимум денег.

Почем? Cнятие, отсоединение трубок подачи масла и антифриза и установка турбины обратно стоит около 4 000 – 5 000 рублей.

Поменять картридж турбины. Под замену идет исключительно сам рабочий элемент турбокомпрессора — корпус с валом и крыльчатками. Поменять готовый картридж может даже мастер, который не специализируется на турбинах. Задача состоит в том, чтобы открутить несколько гаек крепежа, а потом закрутить их обратно.

Почем? Стоимость картриджа с заменой — около 15 000 – 20 000 рублей.

Отремонтировать картридж. Такая работа под силу исключительно мастерам специализированных автосервисов. Турбину разбирают полностью, моют ультразвуком, выявляют изношенные элементы и меняют их. Корпус картриджа растачивают на токарном станке, а затем всю конструкцию балансируют в два этапа, чтобы на скорости до 150 – 200 тысяч оборотов в минуту не было вибрации. Затем еще в картридж закачивают под давлением масло, чтобы проверить на герметичность.

Почем? Цена ремонта турбины зависит от массы факторов и колеблется от 7 000 до 25 000 рублей. Важно понимать, что если мастера называют серьезную сумму, то зачастую проще купить новую турбину.