Спецвозможности
Техника и оборудование

Турбокомпрессор — здоровые «легкие» вашего двигателя

05.11.2018
282
Турбокомпрессор — здоровые «легкие» вашего двигателя фото, иллюстрация
К двигателям внутреннего сгорания, которые «обслуживают» современную технику, предъявляют высокие требования к мощности, экономичности и экологичности. Для обеспечения высокой эффективности их использования применяют форсирование двигателя методом газотурбинного наддува, что в последние десятилетия получило широкое развитие и внедрение.
 

Однимииз самых распространенных двигателей, на которые устанавливают турбокомпрессоры семейства ТКР, являются силовые установки серии Д-240 и Д-245, широко используются на тракторах МТЗ-1221, МТЗ-1025, ЮМЗ-8244, автомобилях ГАЗ, КАМАЗ и МАЗ.

В основном в системах применяют одноступенчатый наддув, то есть компрессор, засасывая воздух через воздушный фильтр, сжимает его и подает под давлением во впускной коллектор двигателя. Принцип работы турбокомпрессора: чем больше воздуха будет подаваться в цилиндры, тем больше будет сжигаться топлива. Мощность, которую развивает двигатель, зависит от количества воздуха и смешанного с ним топлива, которое может быть подано в двигатель. Если нужно увеличить мощность двигателя, следует увеличить количество подаваемого воздуха, и топлива. Однако подачей большого количества топлива желаемого эффекта не достичь, если не обеспечить достаточное для его сгорания количество воздуха. В таком случае образуется избыток несработанного топлива, что приводит к перегреву двигателя, который к тому же сильно дымит.

Турбокомпрессоры делят на определенные группы по следующим основным признакам:

турбокомпресор ТКР-11

по конструкции рабочего профиля турбокомпрессора: с постоянной геометрией, например ТКР 11Н-1 (двигатель СМД), семейство ТКР-6.1.6.5 (двигатель Д-245 и его модификации); с изменяемой геометрией, например Garret T-25-VNT (двигатель f9q)
 
по наличию перепускного клапана: без перепускного клапана, например Сz К-27 (двигатель КАМАЗ 740.31-240) с внутренним пропускным клапаном, например Garret GT28 (двигатель BWA), KKK K03 (двигатель AJK);
 
по конструкции подшипникового узла: с моновтулкой, котораяне вращается (НС), например ТКР 11Н (двигатель ЯМЗ 238), ТКР 7Н1 (двигатели Д-440 Д-442); с двумя втулками, которые вращаются (ВВ), и торцевым подшипником, например ТКР 7С6, (двигатель КАМАЗ 740.61), Сz К-27 (двигатель КАМАЗ 740.31-240), Schwitzer S2B (двигатель КАМАЗ 740.30-240); с моновтулкой, которая не вращается, и торцевым подшипником (НМТ), например Garret T-25-VNT (двигатель f9q), семейства ТКР-6 (двигатель Д-245).
 
Увеличение мощности атмосферного двигателя может быть достигнуто путем увеличения или его рабочего объема, или оборотов. В случае первого варианта сразу же увеличиваются вес, размеры двигателя и в конечном итоге - его стоимость. Увеличение оборотов проблематично, из-за чего возникает целый ряд технических проблем, особенно при наличии двигателя со значительным рабочим объемом.
 
Технически приемлемым решением проблемы необходимости увеличения мощности является использование нагнетателя (компрессора). То есть воздух, подаваемого в двигатель, сжимают перед его нагнетанием в камеру сгорания.
 
Существуетдва основных типа компрессоров: с механическим и турбинным приводами (принцип действия последнего основан на использовании энергии отработавших газов). Кроме того, есть также комбинированные системы, например, турбокомпаундные. В случае компрессора с механическим приводом нужное давление воздуха получают через механическую связь между коленвалом двигателя и компрессором. В турбокомпрессоре - благодаря вращению турбины потоком отработанных газов. 

турбокомпресор ТКР-6.1

В принципе, любой турбокомпрессор состоит из центробежного воздушного насоса и турбины, которые конструкционно связанные с помощью общей жесткой оси. Оба этих элемента вращаются в одном направлении и с одинаковой скоростью. Энергия потоков отработанных газов превращается здесь в крутящий момент, приводящий в действие компрессор.
 
Это преобразование энергии сопровождается снижением температуры газов и их давления. Компрессор засасывает воздух через воздушный фильтр, сжимает его и подает в цилиндры двигателя. Количество топлива, которое можно смешать с воздухом, в этом случае можно увеличить, что позволяет двигателю увеличивать мощность. Кроме того, улучшается процесс сгорания, а это в свою очередь улучшает характеристики двигателя в широком диапазоне числа оборотов.
 
Двигатель и турбокомпрессор функционально связаны только потоком отработанных газов. Частота вращения турбокомпрессора напрямую не зависит от количества оборотов двигателя и характеризуется некоторой инерционностью. То есть, сначала увеличиваются количество подачи топлива и энергия потоков отработанных газов, а уже потом - и число оборотов турбины и давление нагнетания. Таким образом, в цилиндры двигателя поступает еще больше воздуха, что позволяет увеличить подачу топлива.
 
Для двигателей, работающих в широком диапазоне оборотов (например, в легковом автомобиле), высокое давление наддува воздуха желаемо даже при их работе на низких оборотах. Именно поэтому будущее принадлежит турбокомпрессорам с регулируемым давлением. Небольшой диаметр современных турбин и специальное сечение газовых каналов способствуют уменьшению инерционности, то есть турбина очень быстро разгоняется и давление воздуха стремительно достигает нужного значения.
 
Существуют два основных типа выпускных систем с турбокомпрессором: с постоянным давлением на входе в турбину и с импульсным давлением на входе в турбину. В выпускных системах с постоянным давлением на входе в турбину отработанные газы от всех цилиндров собираются в общем выпускном коллекторе, а затем, почти под постоянным давлением, поступают в турбокомпрессор. В выпускных системах с импульсным давлением на входе в турбину используется выпускной коллектор типа «спагетти». В таком случае отработанные газы подводятся к турбокомпрессору отдельными патрубками, идущие от каждого цилиндра. Это позволяет использовать резонансные явления в выпускном коллекторе и получить максимальную производительность.
 

Преимущества  турбокомпрессорного  двигателя  

турбокомпресор ТКР-7н1

Двигатель, оснащенный турбокомпрессором, имеет технические и экономические преимущества по сравнению с двигателями безтурбинного нагнетания воздуха в цилиндры. Соотношение масса/мощность у двигателя с турбокомпрессором выше, чем у атмосферного двигателя. Кривая крутящего момента двигателя с турбокомпрессором может быть лучше адаптирована к специфическим условиям эксплуатации. Благодаря этому, например, водитель тяжелого грузовика сможет гораздо реже переключать передачи на горной дороге, а именно движение будет более «мягким» и комфортным.
 
Атмосферный двигатель теряет мощность из-заразрежения воздуха, тогда как турбокомпрессор, обеспечивая повышенное количество воздушного нагнетания в цилиндры, компенсирует понижение атмосферного давления, почти не ухудшая характеристики двигателя. В частности, количество нагнетаемого воздуха станет лишь немного меньше, чем во время движения машины на более низкой высоте, то есть, в режиме движения техники в условиях горных дорог двигатель практически сохраняет свою обычную мощность.
 
Двигатель с турбокомпрессором обеспечивает лучшее сгорание топлива, способствует уменьшению токсичности отработавших газов и работает стабильнее, чем его атмосферный аналог такой же мощности. К тому же, поскольку он меньше по размеру, то работает, соответственно, тише. Кроме того, турбокомпрессор играет роль своеобразного глушителя в системе выпуска.
 
И несмотря на то, что турбокомпрессор считают «слабым местом» двигателя, однако его ресурс отвечает ресурса двигателя. Отказ турбокомпрессора - это следствие неправильной эксплуатации: турбина «не прощает» плохого отношения, поэтому во время проведения дефектации этого узла одна из основных задач - определить причину отказа турбокомпрессора.

 

 

Причини  потери  работоспособности  турбокомпрессора 

турбокомпресор ТКР-11.1

 

Известно, что большинство отказов системы турбонаддува вызвано проблемами, которые возникают за пределами турбокомпрессора. Рассмотрим эти факторы более подробно.

 

Загрязненное масло Мелкие частицы загрязнения в масле визуально заметить невозможно, но о причинах срабатывания рабочей поверхности отчетливо свидетельствует закругление внешних граней. Часто подшипник компрессора может сужаться на внешнем диаметре. Крупные частицы загрязнения, перенесенные маслом, могут проточить глубокие канавки. Отверстие в подшипнике также может быть поврежден. Вал и центр корпуса повреждаются немного меньше, поскольку он изготовлен из твердого материала. Световой блик на рабочих деталях свидетельствует о наличии в масле крупных частиц загрязнения. Химическое загрязнение - причина значительного износа опорного вала вследствие его перегрева. Визуальные признаки этого почти такие же, как и от недостаточной смазки. Обычно причиной является разжижение масла топливом, уменьшает ее смазочные свойства.

Недостаточная  смазка  Минимальная смазка существуеттам, где уменьшено количество подачи масла на турбину (например, когда материалы прокладки частично блокируют доступ масла или образуют кромку). Характеризуется чрезвычайным обесцвечиванием вала и его шейки (рассмотрено ниже). Полное отсутствие масла - одна из причин, приводящихк аналогичным повреждениям, но еще значительнее, поскольку разрушение происходит очень быстро. 

 

Предельные режимы эксплуатации Высокие скорость, нагрузка и температура - факторы, которые вызывают повреждения турбокомпрессора. Так, типичное повреждение из-за влияния высокой температуры обычно приводит к образованию масляного нагара и закоксованию его на опорной шейке вала. Часто задняя поверхность колеса турбины немного вогнутая - это явление сопровождается возникновением «оранжевой корки» на задней части колеса компрессора, что является несомненным признаком езды с превышением скорости и работы в режиме чрезмерной нагрузки. Движение автомобиля с превышением скорости вызывает потерю части лопастей турбины и нередко приводит к появлению трещин у основания лопасти. В чрезвычайных случаях из-за этого даже может разорвать колесо. От кратковременных перегрузок появляются трещины, поскольку колесо «растягивается» больше расчетных пределов. Трещины увеличиваются при повторных перегрузок, что приводит к повышению интенсивности отказов.
 
Повреждения посторонними предметами Этот тип повреждения вызывает попадание в компрессор твердых посторонних предметов, которые могут рикошетить по кругу его входного отверстия. Соль или песок оказывают абразивное влияние на рабочие поверхности гидрокомпресора и обусловливают серьезную эрозию и коррозию, что в конечном итоге приводит к сильным повреждениям лопастей компрессора. Мягкие предметы (протирочная ткань или даже бумага) также могут привести к повреждению - как правило, лопасти изгибаются и при частом проявлении такого воздействия могут разрушиться. Твердые посторонние предметы в турбине повреждают переднюю кромку лопасти. Даже такие маленькие предметы, как частицы ржавчины, которыеотделяются от коллектора, могут значительно испортить детали.

 

 

Турбокомпаунд 

Улучшение температурной отдачи двигателя - одна из важнейших задач в процессе модернизации двигателей внутреннего сгорания (ДВС). Поэтому очень перспективен турбокомпаунд. Поэтому многие производители двигателей работают в этом направлении (особенно это касается дизельных двигателей с рабочим объемом от 10 до 20 л).
 
Принцип работы турбокомпаунда заключается в том, что отработанные газы сначала приводят в действие одну турбину, а на выходе из нее - вторую, а потом уже выводятся через выходную трубу. Вторая турбина не приводит в действие компрессор, а помогает вращать коленчатый вал двигателя через гидромуфту и шестеренный редуктор.
 
Турбокомпаунд имеет хорошие перспективы, поскольку энергия отработанных газов снова приносит пользу. А вторая турбина дополнительно снижает температуру отработанных газов примерно на 100 ° С. Турбокомпаунд уже устанавливают в серийных двигателях концерна Scania. 

 

 

С. Карабиньош, А. Новицкий, кандидаты тех. наук, доценты

Ю. Новицкий, студент

В. Кучерявый, инженер

Национальный университет биоресурсов и природопользования Украины

Журнал «Пропозиція», №10, 2017 р.

Ключевые слова: турбокомпрессоры

Интервью
Бакуменко
Председатель Верховной Рады Андрей Парубий поддержал продление моратория на продажу сельскохозяйственных земель в Украине. За продление моратория выступают фракции "Народного фронта", "Батькивщины" и
О перспективах выращивания не ГМО сои в Украине, а также потенциально интересные ниши соевых продуктов для украинских производителей в интервью рropozitsiya.com рассказала представитель

1
0