Турбированный двигатель: недостатки
Среди недостатков турбированных моторов больше эксплуатационных минусов. Во-первых, двигатель с турбиной более привередлив к качеству топлива и моторного масла. Кроме того, на таких двигателях срок службы смазывающих и фильтрующих элементов гораздо меньше чем у атмосферников, примерно в 1,5-2 раза, это объясняется более сложными условиями работы при высоких температурах. Владельцам турбированных моторов следует более тщательно следить за уровнем и состоянием фильтров и масла, и производить их замену в строгом соответствии с указаниями производителя двигателя
Не менее важно состояние воздушного фильтра, забитый или поврежденный фильтр ухудшает работу компрессора и может стать причиной его неисправности
К недостаткам турбодвигателя следует также отнести его «прожорливость». Турбина, по сравнению с атмосферником аналогичного объема, будет «кушать» больше топлива.
Кроме того, турбомотор имеет меньший моторесурс чем атмосферный двигатель. Турбина со временем изнашивается, особенно если владелец не владеет навыками эксплуатации таких двигателей. К примеру, турбомотору после остановки автомобиля необходимо дать немного поработать на холостых, чтобы турбина остыла и только после этого можно глушить двигатель.
Стоимость ремонта турбированного двигателя обойдется намного дороже чем ремонт атмосферника, кроме того желающих выполнить этот ремонт не так уж много, некоторые специалисты вообще отказываются ремонтировать турбомоторы. Те же, кто берется, иногда выполняют ремонт некачественно, в результате двигатель работает с перебоями или со временем турбодвигатель снова выходит из строя.
Статьи по теме
Диагностика топливных форсунок: методы, рекомендации, профилактика поломок
Присадки для дизельного топлива: виды и задачи
Ремонт топливных форсунок: причины неисправности, диагностика, методы решения проблемы
Давление масла в двигателе: норма и признаки неисправности
Порвался ремень генератора: что делать в такой ситуации
Защита картера двигателя: мнения экспертов и автолюбителей
Сколько антифриза в системе охлаждения, и почему так важно знать его уровень
Ремонт турбины на дизельном двигателе: все проще, чем кажется
Уровень масла в двигателе: как правильно замерить и что делать при резком колебании
Ремонт дизельного мотора по всем правилам
Как часто надо менять масло в двигателе: рекомендации завода-изготовителя и специалистов
Присадки для бензиновых двигателей: использовать или нет
Присадки для дизельного двигателя: их виды и критерии выбора
Объем масла в двигателе: как выяснить, сколько нужно
Замена масла в двигателе: когда это нужно делать и как
Недостатки
Установка турбонаддува на автомобиль способствует повышению его стоимости — комплект деталей для повышения мощности двигателя оценивается примерно в 1–3 тысячи долларов. Конечно, некоторые производители могут снижать цены, чтобы стимулировать продажи авто с турбированными двигателями, но общая закономерность именно такова. Стоит сказать и про стоимость ремонта турбированного агрегата — она возрастает за счёт увеличенной сложности разборки всего мотора, а также за счёт необходимости обслуживания нового узла. Средний срок службы турбины составляет 100–150 тысяч километров, после чего ей потребуется капитальный ремонт либо полная замена.
Недостатки проявляются и в необходимости частой замены масла. Межсервисные интервалы для турбированных двигателей сокращены примерно на 30–40%, что связано с большими нагрузками, приходящимися на все узлы силового агрегата. Несвоевременная замена масла приведёт к полной потере его свойств за счёт окисления. Смазывающая жидкость подвергается сильному нагреву в системе турбонаддува, что приводит к полному изменению её параметров.
Нужно вовремя менять масло в турбированных двигателях
Управлять автомобилем с турбированным двигателем не столь удобно — наверняка все слышали про такое понятие, как «турбояма». Она представляет собой определённый диапазон оборотов, в котором давления выхлопных газов недостаточно для того, чтобы раскрутить крыльчатку турбины до рабочей скорости. Поскольку двигатель рассчитан на работу с увеличенным давлением в системе впуска, его динамика будет сильно ухудшена, пока водитель не увеличит обороты. Конечно, на современные автомобили устанавливаются системы турбонаддува с изменяемой геометрией крыльчатки, с малоинерционной турбиной или вовсе с двумя компрессорами наддува, отличающимися базовыми параметрами, но недостаток остаётся актуальным, хотя и не столь очевидным.
Все, знакомые с физикой и сопротивлением материалов также знают, что при быстром изменении температурного режима работы металлические детали теряют свою прочность и быстро выходят из строя. Это правило актуально и для турбированных двигателей. Поэтому силовому агрегату стоит дать поработать на невысоких оборотах около 1–2 минут в следующих случаях:
- Перед началом езды;
- После окончания поездки;
- После активной езды или во время сильных морозов время может увеличиваться до 3 минут.
Многие водители ставят на свои автомобили «турботаймеры», которые позволяют засечь время, необходимое для прогрева или должного охлаждения силового агрегата.
Что такое атмосферный двигатель
Основа мотора, в котором процесс реализован внутри камеры, это окисление горючего. Характерно, будучи химической реакцией, горение невозможно без участия кислорода, содержащегося в массах окружающего воздуха. Таким образом, что бы совершить работу, в камеру подают смесь топлива (бензин, дизель, газ и др.) и воздуха. Стабильность явления поддерживается при соблюдении нужной пропорции, например, для бензина, это соотношение составляет 1:14,7 (где 1 — часть топлива и 14,7 — часть воздуха). За соблюдением пропорции следит механизм питания, который состоит из карбюратора, или инжектора.
В первый мотор, созданный изобретателями, проще было подать воздух из атмосферы, не применяя дополнительных механизмов, меняющих давление материала. Создатели не подозревали, что значит для будущего двигателестроения принятие подобного решения, а введение понятия «атмосферный двигатель автомобиля» прижилось и используется до сих пор.
Стоит отметить, что главная роль при поступлении воздуха и топлива в камеру, отводится вытеснителям. Перемещаясь и создавая вакуум, детали как насос всасывают наружный воздух через подводящие патрубки. Работа характерна как для дизельных, так и для бензиновых моторов, образование смеси происходит при помощи карбюратора, инжектора, или непосредственного впрыска в камеру. Таким образом, понятие свидетельствует о самостоятельном всасывании воздуха в мотор, без применения дополнительных устройств, принудительной подачи.
Турбодизельный мотор:
Описанные выше принципы дают представление об атмосферных агрегатах. Что бы разобраться, чем отличается атмосферный двигатель от турбированного, смотрят, нет ли в наличие у последнего механизмов, повышающих давление воздуха. К таким устройствам относят: механический компрессор, турбинный компрессор, а так же комбинация устройств, способных сжать и подать воздух с напором, выше окружающего давления. Как правило, в моторах с турбиной воздушные массы подаются в камеру с давлением 1,5-3 атмосферы. Повышенное количество воздуха делает возможным подать в камеру агрегата больше топлива, не меняя при этом объём, как следствие, мотор с турбиной вырабатывает больше мощи при тех же геометрических параметрах.
Особенности турбинного двигателя на автомобиле
Страны, в которых большинство пользуются автомобильным транспортом, ведут активную борьбу за экономию топлива и регулирование выбросов вредных веществ в атмосферу. Благодаря этому турбинные двигатели среднего и малого объема на автомобилях приобретают все больший спрос.
Впервые турбинные ДВС увидели свет в 1905 году, однако легковые автомобили начали комплектоваться такими моторами со второй половины прошлого века. Что это – турбинный двигатель на автомобиле? Турбонаддув представляет собой систему, нагнетающую в цилиндры атмосферного двигателя дополнительный воздух, что увеличивает среднее эффективное давление в цилиндрах. За счет этого повышается мощность ДВС, при этом его конструкция остается неизменной.
Функционирование мотора с турбонаддувом обеспечивается благодаря приводному нагнетателю, который пользуется энергией отработанных газов. Газы заставляют вращаться колесо турбины, а она, в свою очередь, используя роторный вал, приводит в движение колесо компрессора. Нагреваемый воздух сжимается колесом, а затем поступает в интеркулер, где охлаждается, после чего направляется в цилиндры.
Существует мнение, что благодаря турбинным двигателям автомобили отличаются экономичностью в городском цикле (об этом говорят производители) в сочетании со значительной пиковой мощностью при достижении максимальных оборотов (об этом также пишут автомобильные компании). В связи с этим автопроизводители начали укомплектовывать выпускаемые автомобили этим типом ДВС, поскольку данное решение позволяет соблюдать ужесточающиеся экологические стандарты и при этом сохраняет привычный уровень мощности, а в ряде случаев предлагает даже более высокий.
В настоящее время турбинными двигателями оснащаются различные типы автомобилей, их можно встретить в спорткарах, кроссоверах, внедорожниках и пикапах.
Турбинные двигатели для автомобилей совершили прорыв в современном производстве силовых агрегатов. Задача их создателей заключалась в увеличении мощности ДВС при сохранении прежнего объема. А поскольку турбинами предполагалось комплектовать автомобили массового сегмента, они должны были обладать высокой надежностью.
Для направления тепловоздушной смеси в камеру сгорания в турбодвижке используется давление. Это позволяет увеличить крутящий момент и мощность мотора в целом. Турбиной оснащаются двигатели небольшого объема, использующие малое количество топлива, которые должны отвечать строгим стандартам экологичности. В этих ДВС турбина включается в работу за счет остающейся в выхлопных газах остаточной энергии. Газы приводят к образованию принудительного давления в цилиндрах, в которых топливовоздушная смесь готовится к последующей работе.
Изначально турбинами оснащались дизельные автомобили, так как конструктивные особенности турбонаддува при установке на бензиновый силовой агрегат приводили к снижению надежности мотора и увеличению стоимости. Позднее турбины претерпели конструктивные изменения, позволившие устанавливать их также и на бензиновые ДВС большинства авто, выпускаемых массово.
Атмосферный двигатель
Особенность атмосферных двигателей заключается в том, что в нем отсутствует автоматическая система нагнетания воздуха. В роли воздушного насоса в подобных силовых установках выступают поршни, а для обеспечения притока необходимого количества воздушных масс используется специальный воздуховод.
Среди преимуществ таких ДВС необходимо упомянуть:
- Высокий уровень надежности и неприхотливость. Благодаря простоте конструкции и отсутствию дополнительных элементов, они в состоянии использовать топливо низкого качества без негативных последствий.
- Низкая стоимость обслуживания. Практика свидетельствует о том, что отремонтировать описываемый ДВС в несколько раз дешевле, чем турбированный. Это вызвано тем, что она состоит из более простых механических узлов, которые в большинстве случаев поддаются восстановлению.
- Долгий срок службы. Благодаря простоте конструкции, даже при использовании топлива низкого качества автомобили с подобными силовыми установками в состоянии проехать более 300 тысяч километров без необходимости проведения капитального ремонта.
Рассматриваемые моторы обладают двумя серьезными недостатками. Первый недостаток заключается в более низкой мощности, чем у моторов, снабженных турбиной. А второй недостаток состоит в том, что при низких оборотах подобный ДВС поглощает слишком мало воздуха, из-за чего она может заглохнуть.
Преимущества и недостатки турбированного двигателя
Турбированный двигатель впервые увидел мир в 905 году, а на «легковушки» турбины стали устанавливать только в середине 20-го века. Принцип двигателя оснащенного турбиной заключается в том, что турбина рационально использует выхлоп автомобиля, посредством которого происходит нагнетание дополнительного воздуха в цилиндры, который способствует лучшему сгоранию топливно-воздушной смеси. Как вы знаете, чем больше воздуха, тем лучше будет гореть, по тому же принципу устроен и турбомотор, турбина под высоким давлением нагнетает воздух в цилиндры, благодаря чему сгорание топливной смеси происходит с большим КПД, в результате двигатель получает больше мощности минимум на 10%.
Виды турбокомпрессоров
Турбина с перепуском отработавших газов WGT.
В горячей улитке турбокомпрессора есть клапан Вестгейт (wastegate) выпускающий выхлопные газы в обход ротора турбины, для того чтобы ограничить рост давления турбокомпрессора выше заданного значения. Вследствие этого поток газов через турбину уменьшается, что снижает как степень сжатия воздуха турбиной, так и излишне высокие обороты вращения вала турбокомпрессора. При низких нагрузках на двигатель клапан закрывается, и весь поток отработавших газов направляется в турбину.
Турбина с изменяемой геометрией турбины VNT.
Турбина с изменяемой геометрией ТИГ (Variable-Nozzle Turbine – VNT, Variable-Turbine Geometry – VTG, Variable-Geometry Turbo – VGT) отличается от классических турбокомпрессоров наличием кольца из специальных лопастей (лопаток). Это дает возможность управлять потоком отработанных газов через турбину.
На малых оборотах двигателя лопатки находятся в полузакрытом состоянии. Выхлопным газам приходится “протискиваться” в узкие проходы между лопаток. Скорость газа возрастает (закон Бернулли) и он быстрее раскручивает турбину.
На повышенных оборотах двигателя
лопатки открываются. Сечение для прохода газов увеличивается, скорость падает, турбина крутится медленнее.
Турбина с дросселированием VST.
В двигателях легковых автомобилей небольшой мощности нашли применение турбины с золотниковым регулированием (VST Variable Sliding Turbine). Турбина VST работает аналогично турбине с неизменной геометрией, с той разницей, что первоначально открывается один из двух каналов золотника. При достижении максимально допустимого давления наддува золотник, непрерывно перемещаясь в осевом направлении, открывает второй канал. Каналы выполнены так, чтобы наибольшая часть потока отработавших газов направлялась к турбине. Оставшаяся часть отработавших газов, за счет дальнейшего перемещения регулирующего золотника, направляется в обход крыльчатки компрессора внутри турбонагнетателя.
Турбина с Twin-scroll (Твинскролл ) – двойная улитка.
Турбина типа “twin-scroll” отличается от обычной наличием двух каналов, разделяющих надвое рабочую камеру турбины. Таким образом, отработавшие газы подаются на турбину раздельно, за счет чего эффективнее используется импульсный наддув.
За счет чего достигается преимущество?
На четырехтактном двигателе порядок работы цилиндров (например у ЗМЗ-409) 1-3-4-2. Представим, что цилиндр 1 заканчивает свой цикл и достигает нижней точки, открывается выхлопной клапан. В то же время, цилиндр 2 заканчивает выхлопной цикл, закрывая выхлопной клапан и открывая впускной клапан. При наличии обычной одиночной турбины, давление выхлопа от цилиндра 1 будет препятствовать забору воздуха цилиндра 2, поскольку оба выхлопных клапана открыты. Так вот, если камеры разделить, проблема разрешится.
Вдобавок, в последнее время появились турбины с изменяемым Twin-scroll: на входе улитки турбины установлен распределительный клапан (Quick Spool Valve), который перенаправляет поток выхлопных газов в разные каналы. А если учесть, что у разных каналов разная геометрия то мы фактически получаем универсальную, управляемую турбину, которая хорошо работает и на низких и на высоких оборотах двигателя.
Твинскролл турбокомпрессор Borg Warner EFR-7163-J (VTV) с интегрированным QSV клапаном (с изменяемой геометрией)
Расход воздуха турбинами и степень повышения наддува
Каждая турбина имеет определённую производительность накачки воздуха. Максимальное давление наддува получается на оптимальных оборотах ротора, превышать которые не стоит, иначе пострадает подшипник турбины. Приведём пример на турбине ТКР. Для примера: расход воздуха 0.10 кг/с равняется 130 л/с мощности двигателя. К примеру турбина ТКР-6, которая применяется на машинах типа «Бычок», «Валдай», выдаёт максимально 150 л/с. На ТКР-6 диаметр компрессорного колеса 60 мм, а на ТКР-10 соответственно 100 мм, это видно из маркировки турбин. Что касается турбин Garrett, расход воздуха 50 фунтов в минуту равняется примерно 410 л/с конечной мощности двигателя. Турбину для тюнинга стоит выбирать с запасом, что бы она работала не на пределе своей производительности. У больших турбин немного больше турболаг (провал), но у них гораздо больший потенциал конечной мощности по сравнению с маленькими турбинами. Маленькая турбина при достижении своего пика прекращает повышать мощность двигателя, и стравливает выхлопные газы в обход крыльчатки (при наличии клапана вестгейт), или разрушается, при отсутствии клапана.
Принцип работы двигателя с турбонаддувом
Работа системы турбонаддува основана на использовании энергии отработавших газов. Отработавшие газы вращают турбинное колесо, которое через вал ротора вращает компрессорное колесо. Компрессорное колесо сжимает воздух и нагнетает его в систему. Нагретый при сжатии воздух охлаждается в интеркулере и поступает в цилиндры двигателя.
Несмотря на то, что турбонаддув не имеет жесткой связи с коленчатым валом двигателя, эффективность работы системы во многом зависит от числа оборотов двигателя. Чем выше частота вращения коленчатого вала двигателя, тем выше энергия отработавших газов, быстрее вращается турбина, больше сжатого воздуха поступает в цилиндры двигателя.
В силу конструкции, турбонаддув имеет ряд негативных особенностей, среди которых с одной стороны задержка увеличения мощности двигателя при резком нажатии на педаль газа — турбояма, с другой — резкое увеличение давления наддува после преодоления турбоямы — турбоподхват.
Система с двумя параллельными турбокомпрессорами применяется в основном на мощных V-образных двигателях (по одному на каждый ряд цилиндров). Принцип работы системы основан на том, что две маленькие турбины обладают меньшей инерцией, чем одна большая.
При установке на двигатель двух последовательных турбин максимальная производительность системы достигается за счет использования разных турбокомпрессоров на разных оборотах двигателя. Некоторые производители идут еще дальше и устанавливают три последовательных турбокомпрессора — triple-turbo и даже четыре турбокомпрессора — quad-turbo.
Комбинированный наддув объединяет механический и турбонаддув. На низких оборотах коленчатого вала двигателя сжатие воздуха обеспечивает механический нагнетатель. С ростом оборотов подхватывает турбокомпрессор, а механический нагнетатель отключается. Примером такой системы является двойной наддув моторов TSI от Volkswagen.
Минусы двигателя с турбонаддувомО плюсах мы поговорили в начале статьи, теперь расскажем про минусы двигателя с турбонаддувом. Обратная сторона повышения мощности мотора при сохранении общих характеристик, то есть форсирования, – более интенсивный износ узлов, как следствие, снижение ресурса силовой установки. Кроме того, турбины требуют применения специальных сортов моторных масел и строгого соблюдения рекомендуемых изготовителем сроков обслуживания. Еще более требователен к вниманию владельца воздушный фильтр.
Еще один явный недостаток системы турбонаддува – она очень чувствительна к износу поршневой группы. Возрастание давления картерных газов ощутимо снижает ресурс турбины. При продолжительной работе в таких условиях наступает «масляное голодание» и поломка турбокомпрессора. Причем повреждение этого агрегата вполне может привести к выходу из строя всего двигателя.
Наличие технически сложного турбонаддува двигателя делает мотор автомобиля более сложным, увеличивая число деталей, а значит, снижая общую надежность. К тому же, ресурс самого турбокомпрессора значительно меньше, чем аналогичный показатель двигателя в целом.
Устройство турбонаддува
Турбина двигателя, работающего на бензине, состоит из таких элементов:
- Корпус подшипников, размещающий в себе ротор с валом и кольцами с лопастями. Вращаясь, они перенаправляют воздух в цилиндры.
- Каналы, проходящие через весь корпус. Их функция заключается в доставке масла к вращающимся и трущимся друг о друга элементам, что способствует увеличению срока их службы.
- Подшипник скольжения, гарантирующий плавную работу ротора, смазываемого и охлаждаемого маслом.
- Корпус, по форме чем-то напоминающий улитку, защищающий составные элементы механизма от механических повреждений.
Основные различия устройства атмосферного и турбированного двигателя
В основе принципа работы любого современного ДВС лежит процесс сгорания топлива в его цилиндрах. Топливо подается не в чистом виде, а в виде рабочей смеси, состоящей из горючего и воздуха. Что турбомотор, что атмосферник устроены в этом смысле одинаково.
Для приготовления рабочей смеси используется горючее и многократно превосходящие по объему воздушные массы. Понятие «атмосферник» появилось и прижилось потому, что для создания смеси применено естественное атмосферное давление. Воздух затягивается через фильтр и систему воздуховодов благодаря работе поршней.
Отличия между различными силовыми агрегатами атмосферного (естественного) принципа действия заключаются только в том, как реализуется процесс образования смеси и его дальнейшая подача в цилиндры. Таким образом, атмосферный мотор не оснащается специальными узлами, которые отвечали бы за принудительную подачу воздушной массы.
Интересно, что схема питания атмосферного мотора основана на естественном притоке воздуха для формирования рабочей смеси. При разных режимах работы она не позволяет обеспечить соотношение 14 к 1 (количество частей воздуха на количество частей горючего). Из-за этого движок уже не способен тянуть на низких оборотах, а на высоких еще не может. Это приводит к снижению диапазона оборотов, при которых мотор способен обеспечить максимальную мощность и тяговые усилия.
Чтобы понять, что такое турбированный двигатель, необходимо понять, как он работает, и из каких состоит узлов. По сути, это тоже силовая установка, только подача воздуха в цилиндры происходит принудительным образом, за счет специального устройства. Основными частями турбокомпрессора являются вентилятор с турбиной.
Подключаются они к системе выпуска отработанных газов в машине, а дальше принимают на себя часть их энергии и воздействуют на лопасти турбины. От выхлопных газов создается давление, и они раскручивают ее, заставляя работать вентилятор компрессора. Далее под давлением закачивается большой объем воздушных масс.
Воздуха становится больше в системе и сгорает он более качественно — это значит, возрастает и мощность силовой установки. Имея меньший объем, турбомотор способен выдавать больше лошадиных сил, чем атмосферный аналог. Но система охлаждения функционирует также несколько по-иному. Функцию радиатора здесь выполняет другое приспособление, которое называется интеркуллером. Вместо охлаждающей жидкости в нем циркулирует обычный воздух. Чтобы усилить охлаждающие свойства, вместе с ним могут устанавливать дополнительный вентилятор.
Разница между атмосферным и турбированным движком заключается в принципе их устройства и функционирования. У последнего для создания рабочей смеси также необходим воздух. Однако воздушные массы не просто поступают извне, но еще и принудительно, за счет нагнетания турбиной. Чем отличается атмосферный агрегат от турбированного, так это как раз тем, что поступает больший объем кислорода в рабочие цилиндры. Из-за этого топлива сжигается больше и возрастает полезная мощность. Чтобы сделать автомобиль еще мощнее, нет необходимости наращивать объем камер сгорания или увеличивать число самих цилиндров.
