Актуатор турбины что это такое

Почему актуатор — мозг турбокомпрессора и как он работает

Турбомоторы сегодня становятся всё популярнее, а значит, самое время поговорить о том, как работает турбонаддув и что такое актуаторы турбин, которые по праву называют мозгом турбокомпрессора. И заодно разобраться, можно и нужно ли ремонтировать актуаторы.

Как придумали нагнетать воздух в ДВС

По мере прогресса двигателей внутреннего сгорания инженеры задались вопросом: как, не нарушая стехиометрическое соотношение топливовоздушной смеси, сжечь одномоментно больше топлива, чтобы увеличить тем самым крутящий момент двигателя без увеличения его рабочего объёма? И сформулировали ответ: нужно подать в цилиндры двигателя больше воздуха путём повышения его плотности.

Первоначально в автомобильных ДВС для этого использовали объёмные нагнетатели конструкции братьев Рутс. Принцип работы объемного нагнетателя, или компрессора, очень прост: приводящиеся от коленвала двигателя посредством ремня или зубчатой передачи роторы «зачерпывают» окружающий воздух и под избыточным давлением подают его в цилиндры мотора.

Главный недостаток такого нагнетателя — энергозатратный механический привод и как следствие — существенная потеря мощности двигателя и увеличение расхода топлива.

Первыми серийными автомобилями с компрессорами стали Mercedes 10/40/65 hp (на фото) и Mercedes 6/25/40 hp (оба 1921–1924 гг.). Источник: János Tamás / Wikimedia Commons

Альтернативу в 1911 году предложил швейцарец Альфред Бюхи, запатентовав конструкцию нагнетателя, приводимого в действие выхлопными газами двигателя, то есть не использующего механический привод. Согласно патенту, это устройство позволяло увеличить мощность двигателя на 120%. Так было положено начало эпохи турбокомпрессоров.

Впрочем, поначалу они применялись в основном на судах и самолётах, но не в легковых автомобилях, так как из-за массивности тогдашним турбинам на низких оборотах не хватало потока отработавших газов, чтобы раскрутить тяжелую крыльчатку до требуемой скорости. Помимо этого, возникала задержка в срабатывании турбины на переменных режимах работы двигателя (т. н. турболаг).

Постепенно эти проблемы решили. Первыми серийными автомобилями с турбомотором стали Oldsmobile Jetfire и Chevrolet Corvair Monza Spyder, выпущенные в 1962 году. В семидесятые, вслед за успехом наддува в Формуле 1, а также мировым нефтяным кризисом, последовал Porsche 911/930 с первой в мире турбиной типа Twin Scroll — с двумя радиальными каналами для поступающих к турбине выхлопных газов. Такое решение позволило снизить эффект турбоямы — отсутствия прилива тяги на низких оборотах.

Турбина типа Twin Scroll в разрезе. Фото: DmitryKo / Wikimedia Commons

В 1978 году появился первый легковой автомобиль с турбированным дизельным двигателем — Mercedes-Benz 300 SD. А в следующие десятилетия технология турбонаддува стала по-настоящему массовой, позволив создавать менее объемные, более мощные и одновременно более экономичные двигатели, выбрасывающие в атмосферу меньше вредных веществ. Системы турбонаддува эволюционировали, став надежнее и компактнее, был заметно уменьшен инерционный фактор.

В конструкции турбодизелей массовое распространение получили турбокомпрессоры с изменяемой геометрией проточной части турбины (иначе говоря, с регулируемым сопловым аппаратом, он же РСА), также известные как турбокомпрессоры с изменяемой геометрией, — о них ниже.

Как работает турбокомпрессор

Конструктивно турбокомпрессор состоит из турбины, лопатки которой раскручиваются потоком выхлопных газов, и размещенного с ней на едином валу центробежного компрессора, нагнетающего воздух в цилиндры. Поток воздуха всасывается в осевом направлении, разгоняется до огромной скорости, после чего через спиральную улитку диффузора вытесняется в радиальном направлении.

Турбокомпрессор в разрезе: слева «горячая» турбинная часть, справа — «холодная» компрессорная. Источник: Quentin Schwinn (NASA) / Wikimedia Commons

В системах наддува турбокомпрессорами с изменяемой геометрией предусмотрена возможность изменения величины сечения канала для отработавших газов, а также угла их входа на турбинное колесо. Это нужно, чтобы регулировать скорость вращения компрессора и защищать, прежде всего на высоких оборотах, как двигатель, так и сам турбокомпрессор от избыточной нагрузки.

Для этого на входе в турбину размещен механизм, состоящий из синхронно поворачивающихся лопаток (обозначен цифрой 1). Источник: Ton1 / Wikimedia Commons

Механизм РСА приводится в действие актуатором — пневматическим или сервоприводом — по командам блока управления двигателем, который следит, чтобы на всех режимах движения турбокомпрессор работал оптимально.

Таким образом, именно актуаторы — главные защитники турбины и двигателя.

Что такое актуатор и почему он — мозг турбины

Существует несколько основных типов актуаторов. Большинство современных относятся к числу электронно управляемых. Они не только работают как ограничители предельного давления, но могут гибко регулировать оптимальное давление в режимах частичной нагрузки. Для этого используются показания с различных датчиков, контролирующих работу двигателя. Электронные актуаторы также помогают реализовать кратковременный «передув», или «овербуст», в режиме интенсивного ускорения.

Электронный актуатор состоит из сервопривода с редуктором и датчиком положения, а также платы программатора, совмещенной с крышкой блока. Источник: Сергей Самохин / АБС-Авто

В конструкции современного актуатора есть сервопривод с редуктором и датчиком положения и так называемый программатор — «мозг» устройства. Такая сложная конструкция позволяет актуаторам молниеносно реагировать на команды ЭБУ двигателя, гибко регулируя работу турбокомпрессора, обеспечивая точное дозирование подаваемого в цилиндры двигателя воздуха и гарантируя соблюдение строгих экологических норм.

Чинить или заменять?

Повреждения механизма РСА, возникающие в ходе эксплуатации автомобиля, могут спровоцировать повреждение и самого актуатора. В числе таких причин — закисание рычага, коксование или иное повреждение соплового аппарата твердыми частицами. Это приводит к механическому повреждению редуктора сервопривода, в червячном механизме которого используются пластиковые шестерни. Подклинивание шестерней увеличивает потребляемый ток, в результате возможно повреждение электромотора и программатора. Подобные проблемы вызывают некорректную работу компонентов турбины и проявляются в виде ошибок, рывков при движении и перехода двигателя в аварийный режим.

Чаще всего при возникновении подобных проблем турбокомпрессор заменяется в сборе. А это недешевое удовольствие. К тому же автомобиль надолго «зависает» в сервисе, что накладно как для клиента, так и для СТО — ведь за это время можно было бы обслужить несколько других автомобилей.

Решение здесь — замена актуатора, что гораздо менее затратно для автовладельца, чем покупка нового турбокомпрессора в сборе. А с точки зрения СТО, замена актуатора даёт возможность увеличить количество обслуживаемых автомобилей в единицу времени.

Износ компонентов актуатора. Слева — выкрашивание и истирание пластиковых шестеренок редуктора — результат повышенного усилия на перемещение лопастей механизма РСА. На правом снимке слева вы видите изношенную плату программатора, на которой есть следы воздействия термических нагрузок, выраженные в изменении цвета и локальном обугливании. Справа — новая плата. Источник: Сергей Самохин / АБС-Авто

Можно ли починить изношенный актуатор? В интернете вы найдете множество примеров ремонта, в том числе, и тут, на DRIVE2. За примерами далеко ходить не надо: драйвовчане мучались с актуаторами тут, тут, еще тут, вот тут, здесь и с более профессиональным подходом — тут. Умельцы вскрывают корпус, меняют шестеренки на неоригинальные, пропаивают дорожки… К сожалению, чаще всего при таком ремонте без внимания остаются прочие компоненты этого сложного электромеханического устройства — прокладочные кольца, детали червячной и цилиндрической передачи, игольчатые подшипники и их уплотнения, упорные шайбы, выходной кривошип и шатун и так далее. Повторная калибровка актуатора также может не соответствовать заводской спецификации, что вызовет повышенный расход топлива и увеличение вредных выбросов. Таким образом, любой подобный ремонт будет давать лишь кратковременный эффект, который рано или поздно приведет к замене турбокомпрессора в сборе.

Оригинальное дилерское диагностическое оборудование (слева) обладает большими возможностями для диагностики актуаторов по сравнению с «мультибрендовой» техникой (справа). Источник: Сергей Самохин / АБС-Авто

Вот почему оптимальный путь — замена актуатора турбины на новый, причём, учитывая высокую сложность и важность устройства, от крупного и известного производителя.

Производить замену актуатора рекомендуется после диагностики самой турбины на предмет различных дефектов.

На что заменять?

Большое количество современных двигателей различных производителей уже на заводе комплектуется актуаторами Hella независимо от производителя самой турбины — а ими могут быть BorgWarner, Honeywell, MHI, IHI-CSI. Hella производит актуаторы различного типа уже с 1999 года и является лидирующим европейским поставщиком данной продукции. На настоящий момент выпущено свыше 10 миллионов актуаторов Hella. Теперь их можно купить у официальных дилеров Hella.

Актуаторы турбокомпрессоров Hella. Источник: Hella

Среди распространенных в России серий турбомоторов, изначально комплектуемых актуаторами Hella, отметим следующие модификации:
— BMW: B47 TOP Long BG3.3 LP GTD2, N57 TüTL R2S, N47 TUE OL, B47OL D EU-VI, N47 D20 T1, N47 C16, N57 TU, N47C20 IHI;
— Nissan: X61B, YD25DDTi, X81C;
— Hyundai / KIA: R2.2L EU5, D4HB;
— Ford / PSA: Puma 2.2, LYNX C1;
— Audi: W36 EMC CyRc;
— MB: OM642.

То есть, если говорить о наиболее популярных моделях, это Peugeot Boxer, Citroёn Jumper, Ford Transit Custom, BMW 1, 3, 5 серии и X3, Nissan Navara (Frontier) и Pathfinder, Hyundai Santa Fe, Kia Sorento.

Для правильной идентификации актуатора с соответствующей вашему двигателю заводской калибровкой необходимо проверить маркировку (как показано у пользователя Yuriy39region ):

На верхней плоскости актуатора указан 6-значный идентификационный номер модели (1) и номер заводской детали Hella (2). Источник: Yuriy39region / DRIVE2 На боковой панели корпуса актуатора указан код коробки передач — литера G и цифровой код (4). Источник: Yuriy39region / DRIVE2

Надеемся, этот материал был для вас полезен. Наши технические специалисты с удовольствием ответят на все ваши вопросы в комментариях!

Принцип и отличия работы электронного, пневматического и вакуумного актуаторов

Турбина автомобиля нуждается в защите от возможных перегрузок при работе двигателя на повышенных оборотах. С этой целью в конструкцию турбонаддува включено специальное устройство – актуатор турбины.

Этот элемент еще имеет название: «регулятор давления», «вестгейт» или «вакуум-регулятор». Актуатор – это клапан, через который выхлопные отработавшие газы выходят наружу, минуя турбинное колесо. Если Ваш автомобиль «не едет», имеет потерю мощности, едет рывками, возможно причина в актуаторе турбины.

Актуаторы в турбинах бывают нескольких видов.

В зависимости от конструкции наддува предохранительные клапаны разделяются на механические и электронные. Обычный пневматический актуатор срабатывает под воздействием избыточного давления выхлопных газов. В закрытом положении пружина удерживает мембрану диафрагмы. При возрастании давления в турбине пружина не в состоянии сдерживать заслонку клапана и отпускает ее. Часть газов уходит в обход крыльчатки, скорость вращения турбонаддува снижается.

Электронный актуатор турбины получает управляющее воздействие от ЭБУ двигателя внутреннего сгорания. На основании информации, полученной от многочисленных датчиков (детонации, давления в впускном коллекторе, расхода воздуха и пр.), на вакуумрегулятор с электронного блока управления поступает команда закрыть/открыть клапан. Как и все сложные устройства, электронный актуатор турбины иногда выходит из строя. Причиной поломки становятся неисправности самой турбины: износ подшипников, закоксовывание изменяемой геометрии турбины, обрыв ротора, попадание посторонних частиц внутрь турбины. Это приводит к тому, что электромотор прилагает большие усилия, чтобы сдвинуть геометрию, при этом изнашиваются и ломаются пластиковые шестерни и сам электромотор.

Вакуумные актуаторы выходят из строя реже чем электронные. Причинами являются элементарное старение пружины и мембраны, износ соединения штока с клапаном вестгейта. Другие причины, это внешние воздействия, попадание масла, песка, воды. Чаще всего вакуумный актуатор меняют на новый, отремонтировать возможно, но есть сложности с поиском запчастей.

Мастера по ремонту турбин завода КТСервис, входящий в группу компаний ТЕХПРОМ, обладают всем необходимым инструментарием, запчастями (являемся официальными дистрибьюторами KODE и E&E), технологиями, необходимыми для ремонта турбокомпрессора и настройки актуатора. Ремонт обойдётся минимум в два, три раза дешевле, чем покупка нового агрегата. На практике встречаются турбокомпрессоры, оснащенные актуаторами, которые не продаются, как отдельная запчасть. Тогда ремонт становится просто спасением для наших клиентов. Кроме того, очень важно правильно настроить актуатор после ремонта и установки на турбокомпрессор. В КТСервис есть специализированный стенд СИМАТ для настройки изменяемых геометрий и клапанов байпаса TurboTest Expert — аддаптивная настройка турбины, измерение производительности и коэффициента наддува, имитирующий работу двигателя, что позволяет настроить турбину близко к заводским настройкам. Без соответствующих настроек турбина не будет работать корректно. Настройка турбокомпрессора вместе с актуатором производится только после произведенного ремонта. При выборе сервиса по ремонту турбокомпрессора всегда обращайте внимание как будет производится итоговая настройка агрегата, «на коленке», чем, к сожалению, грешат некоторые недобросовестные сервисы, или на профессиональном оборудовании. Этот, казалось бы, небольшой нюанс может в последствии доставить вам «головную боль» или позволит вашему железному коню служить вам ещё долгое время без нареканий!

Электрический актуатор турбины

Сегодня многие водители стараются усовершенствовать базовые характеристики автомобиля без кардинальных вмешательств. Улучшить тяговые характеристики машины можно с помощью турбонаддува. Больший объем сожженного топлива увеличивает давление и количество выхлопных газов. Поэтому для корректной работы двигателя требуется сброс повышенного давления воздуха. Эту задачу как раз и решает актуатор турбины. По факту, это промежуточное звено между турбокомпрессором и двигателем.
На сленге у автолюбителей актуатор может также называться вестгейт или вакуумный регулятор.

Принцип работы актуатора весьма прост. При увеличении скорости мотор начинает работать на повышенных оборотах. Давление выхлопного газа растет и появляется необходимость провести его мимо колеса турбины. В этот момент и вступает в работу актуатор, открывая клапан и пропуская отработанные газы через себя, тем самым позволяя закачать больше воздуха в клапаны.

Распространенные неисправности актуатора турбины

Со временем актуатор турбины может ломаться. В некоторых случаях его придется полностью менять. Вот наиболее распространенные причины неисправностей:

• Повреждение или загрязнение одного из механизмов электронного регулятора.
  Чаще всего поломка случается с воздуховодом, воздушным фильтром, клапаном EGR. В случаях, когда ломается выпускной коллектор или случается поломка в поршневой группе, это приводит к выходу из строя механизма изменяемой геометрии, и в результате — к неисправности всей механической части турбины.
• Некорректная работа двигателя автомобиля.
  Производители машин устанавливают отметки от минимального до критического уровня «наддува». При достижении максимального давления, на приборной панели загорается предупреждающая лампочка. В таком случае мы рекомендуем обратиться за квалифицированной помощью.
• Нестабильное давление наддува.
  При правильной работе турбонаддува, во время турбо-ускорения автомобиль должен плавно и стремительно ускоряться, и также замедляться. Если процесс происходит рывками, это может говорить о засорении задней части актуатора.
• Увеличение расхода топлива.
  При неисправности актуатора, часть топлива не сгорает и выбрасывается через выпускную систему.
• Поломка зубьев шестерней привода.
  Это приводит к сложностям при открытии и закрытии клапана.
• Выход из строя электромотора.
  Он отвечает за корректную работу створки. В результате поломки система не функционирует должным образом.

Проверить исправность актуатора турбины можно как на самом автомобиле, так и предварительно его демонтировав. Для начала запускаем двигатель и газуем на месте. В какой-то момент шток актуатора начнет двигаться. Важно запомнить на каких оборотах турбокомпрессор начал срабатывать — это будет вашим ориентиром для дальнейшей проверки исправности. Мы советуем периодически проводить диагностику актуатора, даже если поводов для волнения нет.
Незначительная поломка турбины постепенно ведет к чрезмерному нагреву подшипников, что может вылиться в полную неисправность агрегата.

Настройка актуатора турбины

После установки актуатора на турбину необходимо произвести настройку. Если этого не сделать или сделать неправильно, то во время работы двигателя и при его остановке, появятся лишние вибрации в системе. Кроме того, недостаточный наддув также сигнализирует о неправильной настройке актуатора.

Произвести настройку можно тремя способами:

• Пожалуй, самый простой вариант — заменить пружину на более жесткую. Упругая пружина выдает большее давление турбины до момента срабатывания выпускного клапана.
• Регулировка конца регулятора.
  Такое действие влияет на плотность закрытия заслонки. Если конец регулятора расслаблен, то тяга клапана удлиняется. Если подтянуть — укорачивается. Соответственно, чем она меньше, тем плотнее будет примыкать заслонка. Такие манипуляции позволят турбине выйти на более высокие обороты быстрее.
• Третий вариант установка буст-контроллера.
  Фактически этот механизм меняет реальное значение давления. Буст-контроллер ставят перед актуатором, чтобы он самостоятельно выпускал часть воздуха, тем самым позволяет снизить нагрузку вестгейта. После настройки актуатора не забывайте проверить правильность своих действия. Для этого нужно запустить двигатель и опробовать его на разных режимах работы. Если посторонних звуков нет (в момент глушения двигателя тоже), значит, вы все сделали верно.

В случаях когда отремонтировать актуатор не удается, его меняют на новый. Раньше актуатор меняли вместе с турбиной в сборе. Теперь в сервисных мастерских специалисты могут заменить актуатор отдельно. К тому же оригинальная турбина на автомобилях Volvo стоит совсем недешево 90 тыс. рублей. Замена актуатора обойдется в 10-15 тыс. в зависимости от модели машины.

Чтобы актуатор на вашей машине служил долго советуем придерживаться нескольких правил. Не стоит злоупотреблять агрессивным стилем езды, использовать некачественное топливо и моторное масло. Все это приводит к преждевременному выходу из строя актуатора. Чтобы агрегат служил дольше используйте только сертифицированные техжидкости.

Что такое актуатор и как он работает – объясняю на пальцах

Сегодня подробно изучим актуатор в автомобили. Какие типы бывают и как они работают. Разберем устройство и возможные поломки.

Что такое актуатор в машине и для чего он нужен

Актуатор турбины – это устройство, которое открывает или закрывает клапан сброса давления выхлопных газов или регулирует положение лопаток в турбокомпрессорах с изменяемой геометрией. Оно бывает пневматическое или электронное, то есть, управляется воздухом или электроникой.

Его назначение – регулировать производительность турбокомпрессора. Делается это разными способами, в зависимости от типа турбины. В простых типах – открывается или закрывается байпас вестгейта и травится давление помимо крыльчатки горячей части. То есть, выхлопные газы проходят не через рабочее колесо, а вылетают мимо его в выхлопной коллектор.

В турбонагнетателях с изменяемой геометрией, актуатор регулирует положение лопаток той самой геометрии. При определенных режимах работы двигателя, он поворачивает лопатки в нужном направлении. Тем самым, изменяется направление движения выхлопных газов относительно лопастей турбоколеса. Это меняет производительность турбоагрегата.

Какие виды существуют

Бывает двух видов:

1. Пневматический – управляется воздухом.
2. Электронный – управление происходит электроникой при помощи электромотора и привода с шестерёнками.

Рассмотрим оба типа подробно. Потому что первый вид можно разделить на два подвида по принципу работы – вакуумный и работающий под давлением.

Вакуумный актуатор

Это пневматический тип. Он работает за счет разряжения, которое образуется во впускном коллекторе бензинового двигателя или вакуумного насоса дизельного мотора.

То есть, работа актуатора начинается только тогда, когда в его корпусе образуется вакуум. При атмосферном давлении его шток возвращается в начальное или нулевое положение.

Работающий от давлением

То есть, этот вид актуаторов работает при избыточном давлении воздуха. Первый тип от давления ниже атмосферного, а этот – от давления выше атмосферного. Чувствуете разницу?

Его шток начинает двигаться при появлении избыточного давления в его корпусе. Это давление, чаще всего, берется из горячей улитки. То есть, она соединена с корпусом актуатора шлангом или трубкой. Значит, давления перед крыльчаткой турбины передается на мембрану. При его повышении выше определенного значения, шток механизма начинает двигаться, снижая его.

Электронный

В его работе не принимает участие воздух. Он управляется только за счет электроэнергии. А именно, блок управления двигателем подает сигнал на электромотор, который через червячный механизм вращает шестерни. Они приводят в движение шток актуатора.

Это упрощенная схема, более подробно устройство и принцип работы обсудим ниже в статье. Надежность данного типа спорная, так как в ней больше подвижных частей, есть электродвигатель, пластиковые шестерни, датчики положения штока и т.д.

Устройство актуатора турбины

Начнем с самых простых – пневматических. В зависимости от типа, их устройство немного отличается. Но общая схема остается одинаковой. На рисунке представлены два вида: слева – работающий от давления, справа – вакуумный. Найди десять отличий!

Турбинный актуатор состоит:

1. Корпуса. Он завальцован из двух половинок: верхней и нижней крышки.
2. Поршня. Он связан непосредственно со штоком, который управляет клапаном вестгейта или геометрией.
3. Резиновой мембраной. Она также служит уплотнительной прокладкой между двумя половинками корпуса.
4. Возвратной пружины. Она возвращает поршень и шток в исходное положение.

А как их можно отличить между собой? – В первом типе носик, на который надевается шланг, находится в боковой стенке корпуса. Во втором виде он закреплен в верхней крышке корпуса.

Электронный

Он состоит:

1. Электромотора. Он вращает шестеренки и тягу.
2. Червячной шестерни. Она передает вращение от электродвигателя к управляющему элементу.
3. Сектора. На нём насажены зубья, которые от «червяка» получают вращение, за счет которых поворачивается сектор. Кроме того, он указывает электронике положение клапана.
4. Тяга, которая непосредственно соединяется с клапаном сброса давления.

Так почему он быстрее выходит из строя, чем пневматический? Почти все детали пластиковые, а этот материал быстро изнашивается. Чаще стираются зубья сектора, а это приводит к неадекватной работе электронного актуатора турбины.

Как работает актуатор

Пневматические типы

Первый вид актуатора, который работает от избыточного давления, соединен с горячей частью турбокомпрессора шлангом или трубкой. При повышении давления выхлопных газов выше расчетного значения, это давление давит на поршень механизма.

Тот, вместе со штоком, опускается вниз. Тем самым, открывая или закрывая клапан вестгейта или меняя положение лопаток в геометрии турбины.

При понижении давления на выпуске, оно снижается над клапаном. За счет упругости возвратной пружины, клапан со штоком поднимается вверх, возвращаясь в начальное положение.

Вакуумный актуатор начинает работать при появлении разряжения над поршнем. Его значение регулируется клапаном N75. То есть, разряжение над поршнем поднимает его, преодолевая упругость возвратной пружины. Как помните, она находиться над ним.

Чем больше вакуум, тем выше поднимается поршень. Он тянет за собой шток и клапан байпаса или геометрию турбонагнетателя. При закрытии клапана N75 давление над поршнем становиться равным атмосферному. Пружина возвращает поршень и шток в нулевое положение, а значит и механизм управления производительностью турбины.

Существуют варианты, при которых работа пневматического актуатора регулируется только клапаном N75. Это касается не только вакуумных актуаторов. Поэтому, работоспособность турбокомпрессора напрямую зависит от его исправности. При проверке турбины его нельзя исключать из диагностических мероприятий.

Видео принципа работы и устройства пневматических актуаторов:

Электроактуаторы

Электронный блок двигателя дает импульс на электромотор. Он, вращаясь, поворачивает сектор через червячную шестерню. Сам сектор соединён с тягой, которая управляет положением клапана вестгейта.