Особенности дизельной турбины
Турбина нагнетает воздух в топливные цилиндры под высоким давлением. Ротор турбины раскручивается, пропуская через себя энергию отработанного топлива, и приводит в движение лопасти нагнетателя — происходит всасывание воздуха из атмосферы, сжатие его и подача в блок цилиндров. Скорость вращения турбинного ротора на некоторых дизельных моторах может доходить до 250 000 оборотов в минуту — этот показатель считается нормальным, но для некоторых турбокомпрессоров это граница допустимых возможностей.
Конструктивно турбина состоит из двух блоков: колесо турбинное и компрессорное. Поскольку колеса имеют лопасти, второе их название – крыльчатки. Оба блока фиксируются на роторном валу. Главные детали дизельной турбины:
крыльчатка турбонагнетателя (входит в блок горячей улитки);• крыльчатка компрессора (блок холодной улитки);• блок подшипников;• корпус турбины;
• роторный вал.
Как же расход топлива?
Если вы внимательно прочитали о плюсах и минусах обоих моторов (атмосферного и турбированного), то вас удивило то, что мы ничего не рассказали о расходе топлива. На этом вопросе стоит остановиться несколько подробнее. Попробуем разобраться, какой мотор является более экономичным.
Сначала сравним два двигателя с одинаковым объемом (например, 1,4 литра). Атмосферный мотор будет расходовать в среднем около 6÷7 л на 100 км пробега, а трубированному потребуется уже 8÷9 литров. Однако при этом он развивает мощность в 1,5 раза большую, чем атмосферный. Вывод: при одинаковом рабочем объеме «атмосферник» значительно экономичнее (ведь он не только «ест» меньше топлива, но и использует более дешевый бензин), однако значительно уступает турбированному по мощности.
Теперь проведем сравнение расхода топлива у моторов с одинаковой мощностью (например, около 140÷150 лс). Столько «лошадок» под капотом обычно имеет атмосферный мотор объемом 2,0 литра или турбированный двигатель объемом 1,4 литра. В городском цикле расход у обычного двигателя составит около 12÷14 литров на 100 км, у турбированного – все те же 8÷9 литров. Вывод: даже учитывая меньшую стоимость бензина, необходимого для нормальной эксплуатации атмосферного двигателя, мотор с турбо наддувом значительно экономичнее.
К несомненным достоинствам атмосферных двигателей относят:
- Простоту конструкции, которая отработана на практике в течение многих десятилетий. Ремонт и техническое обслуживание таких силовых агрегатов обходятся владельцу намного дешевле (по сравнению с аналогичными операциями для турбированного мотора).
- Значительно больший ресурс бесперебойной работы до капитального ремонта. При правильных условиях эксплуатации и надлежащем уходе срок «жизни» у атмосферных двигателей в 2÷4 раза больше, чем у моторов с турбонаддувом: 300000÷400000 км, зачастую, не являются пределом «долголетия» таких двигателей.
- Меньший расход масла, который в зависимости от стиля езды обычно не превышает 200÷500 мл на 10000 км пробега автомобиля. Это обусловлено отсутствием дополнительных приспособлений, требующих смазки, а также меньшими нагрузками, которые испытывают вращающиеся части мотора при работе.
- Неприхоливость к качеству используемого масла. Они вполне удовлетворительно работают на полу-синтетических (и даже минеральных) моторных маслах. Однако, не стоит забывать о том, что чем лучше масло, тем дольше срок службы двигателя.
- Не столь частую, как у турбированных двигателей периодичность замены масла, которую необходимо производить после пробега в 15000÷20000 км.
- Меньшую требовательность к качеству применяемого топлива. Как правило, многие атмосферные моторы могут вполне удовлетворительно работать и на бензине марки Аи92.
- Более быстрый прогрев в зимнее время.
Компрессорный блок
Часть турбины, через которую нагнетается атмосферный воздух, называют компрессором. Главные компоненты: корпус (холодная улитка), ротор. Ротор жестко установлен на общую ось с крыльчаткой турбины. При вращении первой происходит движение роторного колеса в обратном направлении. За счет вращения алюминиевых лопастей ротора воздух затягивается вихревым потоком, давление воздуха увеличивается за счет перехода потока с центра ротора на его стенки.
Двойная турбина задействуется на многоцилиндровых блоках
Воздушный фильтр, установленный на входе во впускной коллектор, препятствует попаданию грязи, мелкого мусора, и пр. в турбину.
Неполадки в работе турбокомпрессора: первые симптомы
Можно ли выявить проблемы в работе системы турбонаддува на ранней стадии, пока мощность двигателя не упала критически, а сама машина еще на ходу?
Первое и самое очевидное, как рассказали нам в «БР Турбо», – это расход масла. Если воздушные патрубки – с масляным налетом, а в интеркулере скапливается масло, не следует затягивать с диагностикой и надо начать искать причину. Поломка турбины раньше срока службы – это, как правило, следствие некорректной работы двигателя. Устранение причины позволит избежать более серьезных проблем и, соответственно, дорогостоящего ремонта турбокомпрессора.
Второй симптом – посторонние звуки из турбины. Если она начинает издавать явный свист – возможно, превышен люфт вала и он касается корпусов. Звон из турбины говорит об износе перепускного клапана (калитки вестгейта).
Третий симптом – запах выхлопных газов из-под капота. Он появляется, когда образуются трещины на коллекторе или превышен люфт калитки, через которую появляются просечки выхлопных газов.
На фото слева: сажа на горячей части узла турбокомпрессора – признак того, что либо «переливают» форсунки, либо имеет место неправильное смесеобразование (недостаток воздуха – «недодув» – и излишек топлива), либо масло просачивается через турбину в горячую часть.
На фото справа – последствия попадания постороннего предмета в холодную (компрессорную) часть. Наиболее популярные причины: отрываются куски от воздушного фильтра (причем на грузовиках эти фильтры – в металлической сетке, соответственно, она отрывается и повреждает крыльчатку). Даже мелкого кусочка достаточно, чтобы сначала погнуть какую-нибудь лопасть. Далее при скорости вращения 130 тыс об/мин этот погнутый кусок отрывается и начинает «перемалывать» крыльчатку, повреждая остальные лопасти. Вторая причина – негерметичные соединения патрубков.
На фото слева: трещина внутри чугунного корпуса турбины для мотора EP6, образовавшаяся вследствие перегрева. Возможные причины – агрессивная езда или последствия чип-тюнинга.
На фото справа: картридж турбины для мотора EP6 совместной разработки PSA Group (ныне – альянс Stellantis) и BMW Group. Система начала гнать масло в сторону горячей части. Масло догорало и закокосовывалось на крыльчатке, поэтому образовался такой сильный нагар.
Проверенные производители
Делая выбор в сторону установки бензиновой или дизельной турбины, рекомендуется останавливаться на оригинальных агрегатах. Хотя многие ремонтники «турбинисты» скептически отзываются обо всех типах турбин, отмечая их быстрый износ, но оригинальные турбины все же отвечают своим характеристикам, хотя производители, ставя срок их эксплуатации равный сроку хода мотора, и кривят душой. К таким производителям можно отнеси торговые марки:
IHI – США;• Borg Warner – Германия;• Garrett – США;• Holset – Англия.
Компания Holset выпускает турбины со скользящими лопастями, но агрегаты рассчитаны только на грузовые автомобили.
Как продлить жизнь турбине: рекомендации для автовладельцев
Чтобы продлить срок службы турбины, специалисты рекомендуют следовать следующим правилам:
• Регулярно обслуживать автомобиль и менять фильтры. Для легковых автомобилей рекомендуется менять масло и фильтры каждые 7–10 тыс. км пробега.• Использовать качественные расходники и заливать масло согласно допускам автопроизводителя.• Следить за состоянием двигателя: топливной системы (чтобы форсунки не «переливали»), системы ВКГ (вентиляции картерных газов), выхлопной системы (забитый катализатор создает излишнюю нагрузку на турбину).• После активной езды рекомендуется дать мотору поработать какое-то время на холостых оборотах.
В отношении последнего пункта авторам «Движка» доводилось слышать разные мнения. Многие представители дилерских центров говорили, например, что для большинства современных машин это уже не актуально.
Специалисты же «БР Турбо» уточняют, что в процессе езды выпускной коллектор и турбина могут раскаляться до 300–500 °C. Пока масло циркулирует, оно охлаждает турбину и не застаивается в масляных каналах. Когда водитель глушит мотор, масло перестает циркулировать и из-за высокой температуры может начать выгорать и закоксовывать масляные каналы, что снижает уровень смазки турбины и влечет за собой ее весьма скорый износ. Даже три минуты простоя на холостых оборотах позволят снизить температуру в турбине и избежать закоксовывания масляных каналов.
Конструкция турбокомпрессора Garrett GTD22 VNT, предназначенного для дизельных двигателей
На работу турбомотора (и на турбину в отдельности), по словам специалистов «БР Турбо», влияет также качество топлива. Из-за плохого горючего в выхлопной системе и, соответственно, в корпусе турбины и на роторе образуются отложения, которые затрудняют поток газов, увеличивают дисбаланс турбины и снижают ее ресурс. Кроме того, из-за некачественного топлива может быть нарушен температурный режим выхлопных газов, в том числе плохое горючее может не успевать догореть в цилиндрах и в таком случае продолжает гореть уже в турбине.
Весьма чувствительна турбина и к частой езде в режиме «педаль в пол», так как в этом случае она работает на пределе возможностей под максимальной нагрузкой. А вот частые пробки и заторы для турбин не столь критичны: в таких режимах обороты двигателя в основном холостые, а турбина вращается с минимальной скоростью, без нагрузки и перегрева. При исправном масляном насосе на холостых оборотах создается необходимое давление масла, и ресурс турбины не тратится.
Турбина и ее влияние на надежность мотора
Когда-то было принято считать, что применение системы турбонаддува чуть ли не автоматически ведет к снижению ресурса двигателя на 30%.
Эксперты из «БР Турбо» это не подтверждают: по их словам, само по себе наличие турбины не влияет напрямую на надежность мотора.
И если раньше, когда производители двигателей просто ставили нагнетатели на изначально атмосферные моторы, турбины действительно пагубно влияли на их надежность, то сегодня уровень технологий таков, что моторостроителям удается увеличить КПД двигателей при сохранении их надежности именно благодаря турбинам.
«Современные двигатели с турбонаддувом разрабатываются с учетом нагрузок, свойственных именно турбомоторам, – рассказали „Движку“ в „БР Турбо“. – Вместе с тем ресурс всех современных двигателей из-за их сложности стал немного меньше, чем был раньше, вне зависимости от наличия турбины».
На вопрос же о том, сколько в среднем в состоянии «прожить» турбина в штатных условиях эксплуатации, однозначного ответа, по словам наших экспертов, нет. Однако можно выделить ряд факторов, существенно влияющих на ресурс турбонагнетателя. Один из главных – регулярность и качество технического обслуживания мотора
Не менее важно качество используемых при этом расходных материалов: фильтров и масла
Что касается регулярности техобслуживания, то рекомендации автопроизводителей обычно созданы на основе усредненных данных. В России же, в связи с тяжелыми условиями эксплуатации и пробками, масло редко выдерживает положенный ресурс, вследствие чего ухудшаются его свойства, и далее начинает резко снижаться ресурс турбины и мотора в целом. Поэтому применительно к замене масла в турбомоторах в нашей стране вполне работает принцип «чем чаще, тем лучше» (это же, впрочем, относится и к «атмосферникам»).
Турбокомпрессоры Garrett серии VNT с изменяемой геометрией турбины для дизельных (слева) и бензиновых (справа) двигателей
При этом турбированный двигатель весьма чувствителен к качеству самого масла: имеет значение, есть ли у него допуски автопроизводителя и соответствует ли оно требуемым параметрам, поскольку и мотор, и турбина разрабатываются с учетом свойств определенного масла. Именно поэтому масла, которые подходят, например, для японских автомобилей, могут быть губительны для немецких. И наоборот.
Кроме того, следует учесть, что вал в турбине работает в «масляном клину», то есть при работе турбины он не касается подшипников, так как между трущимися деталями образуется клин из масла. Если в масле есть загрязнения или абразив, оно слишком разжижено или, наоборот, в моторе образовался шлак от высоких температур, то начинается резкий износ подшипников скольжения. Таким образом, некачественное или с большим пробегом масло резко снижает ресурс турбины.
В целом, по словам специалистов «БР Турбо», если обслуживать автомобиль согласно рекомендациям автопроизводителя, то для легковых автомобилей ресурс турбины – от 250 тыс. км, для грузовиков – от 1 млн км. Если обслуживать автомобиль чаще – ресурс турбины можно увеличить на 20–40%.
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.
Покупка машины с турбомотором на вторичном рынке: на что обращать внимание
Помимо стандартных проверок (отсутствие индикации Check Engine и ошибок в блоках управления), необходимо проверить турбину визуально, рекомендуют специалисты «БР Турбо». Для этого надо снять патрубки с турбины и визуально проверить крыльчатку на отсутствие масла, повреждений и пескоструя; пальцами попробовать подвигать вал вбок (радиальный люфт) – должен быть еле заметный люфт (допуск примерно 0,2 мм), при этом крыльчатка не должна касаться корпусов. Люфт внутрь и наружу (осевой) должен отсутствовать (допуск 0,02 мм). Далее необходимо провести осмотр интеркулера. Снаружи он не должен быть забит грязью, соты — не замяты, иначе охлаждение наддувочного воздуха будет затруднено.
Стоит ли опасаться на вторичном рынке моторов, подвергнутых чип-тюнингу? В «БР Турбо» отмечают, что любая подобная доводка двигателя не проходит бесследно для автомобиля. Как правило, при тюнинге увеличивается интенсивность наддува, вследствие чего увеличивается и количество подаваемого топлива, изменяется тепловая нагрузка на мотор и экологичность выхлопа, растет нагрузка на смежные узлы. И вовсе недаром на автомобили с двигателями разной мощности устанавливаются разные радиаторы, тормоза, коробки передач, приводные валы и т. д. Таким образом, по мнению наших экспертов, «чипованные» моторы требуют более внимательного и частого обслуживания.
Турбины BorgWarner. На фото слева на переднем плане – регулируемый двухступенчатый турбокомпрессор R2S. Справа – турбина с вестгейтом
Отличия бензиновых и дизельных турбин
Основное отличие главных узлов турбонагнетателя — это использование различных материалов для крыльчатки и корпуса. Но по внешнему виду определить, на какой вид топлива предназначена та или иная турбина, может только механик-турбинист с большим стажем.
Лопасти турбины, независимо от того, на какой мотор она установлена, приводятся в движение потоком отработанного газа. В дизельных моторах после сгорания солярки температура газа на выпуске не превышает 850 о С, но дизтопливо может продолжать гореть и на выходе в выпускной коллектор. Для бензиновых моторов температура отработанного газа не опускается ниже 1000 о С.
Исходя из такой разницы в температуре газа, который будет раскручивать колесо турбины, корпус и лопасти агрегата должны изготавливаться из разных материалов.
Для крыльчатки турбины используют жаропрочные никельсодержащие металлы: GMR 235 (используется для крыльчатки при температуре выходного потока в 850 о С), Inconel 713 (в металле увеличено содержание хрома, используется для крыльчатки бензиновой турбины, материал рассчитан на пропуск выходного газа температурой до 1000 о С).
В качестве материала корпуса для дизельных турбин используется чугун серый (максимальная рабочая температура — 650 о С), чугун кремниево-молибденовый (максимальная рабочая температура — 720 о С), чугун с вермикулярным графитом GGV SiMo (макс. т. — 850 о С).
Для корпуса турбин, встраиваемых в бензиновый мотор, используются жаропрочные сплавы, способные выдержать долгосрочную температуру более 1000 о С (аустенитные стали, сплав NiResist 5).
Второе отличие материала турбин состоит в том, что бензиновые турбины рассчитаны на минимальное давление, которое оказывает отработанные бензиновые пары в выпускном коллекторе. Газы отработанного дизтоплива имеют давление в 3-5 раз выше.
Отсюда вытекает главный вывод — ставить бензиновую турбину на дизельный мотор и наоборот нельзя. Это спровоцирует детонацию и снизит эффективность каждого двигателя.
Кроме этого, для бензиновых турбин практически не используется схема компрессора с изменяемой геометрией. Технологические решения VNT, VTG, VGT не адаптированы под высокие температуры выхлопа, который дает бензиновый мотор. Поэтому бензиновая турбина имеет в своей конструкции только главные детали.
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%.
Мифы о масляном фильтре
Показателен размер масляного фильтра на раллийном Peugeot 205 t16 group B
Развеем заблуждение некоторых автомобилистов, которые говорят, что своевременная замена масляного фильтра предотвратит износ движущих деталей турбины. В момент холодного пуска, равно и тогда, когда масляной фильтр засорился до своего критического уровня, предохранительный клапан фильтра приоткрывается, и часть масла всегда проникает в систему турбины, как и в масляную систему всего силового блока. Клапан останется в полуоткрытом или в полностью открытом состоянии до тех пор, пока масло не нагреется до своей нормы. Таким образом, все инородные частицы, взвеси, которые есть в масле, окажутся рано или поздно в турбине.
Тюнинг карбюраторного и инжекторного мотора
Бензиновые инжекторные двигатели проектируются производителем под рабочую турбину на этапе расчетов силы коленвала и объема цилиндров. В турбированный атмосферник закладываются усиленные параметры всех деталей двигателя, от дополнительного хромирования выхлопного патрубка до уплотненных колец.
В случае с дизельными моторами такого нет — почти 95% всех дизелей проектируется или уже с турбокомпрессором, или с учетом установки турбины если не в базовом комплекте, то при тюнинге.
При тюнинге инжекторного мотора переделке подлежит в первую очередь коленчатый вал — его потребуется усилить минимум на 30%. Система выпуска и впуска также потребует переделки и установки фланцев под турбину, дополнительная система маслоподачи должна стабильно крепиться. В этом случае используют технические отверстия в картере, которые забиты заглушками.
Турбина на карбюраторные моторы никогда не проектировалась в условиях КП завода-производителя. Были ограниченные серии карбюраторных турбированных авто, но не для гражданского населения. Но тюнинговать карбюраторный двигатель, увеличив его производительность турбиной, вполне возможно. При переделке карбюраторного мотора под турбину следует учесть главные особенности:
- Интеркулер (радиатор) должен оптимально охлаждать сжатый воздух перед подачей в цилиндры, чтобы предотвратить возможность детонации.2. Сложность при замене жиклеров на аналогичные большего диаметра.3. Требуется увеличить объем камеры сгорания и установить дополнительные прокладки, чтобы избежать детонации.
Автомобиль с каким двигателем лучше выбрать
Обе разновидности моторов имеют как свои достоинства, так и недостатки. Поэтому нельзя однозначно сказать какой из них лучше. Если вы поклонник агрессивной езды, быстрого старта с места, любите драйв и готовы к значительным затратам на обслуживание, то выбор однозначен – автомобиль с турбированным двигателем. Однако, склоняясь к такому выбору, надо помнить о том, что мотор вашего транспортного средства (а особенно турбина) «проживет» значительно меньше, чем атмосферный аналог. К тому же вы должны быть уверены, что в своем регионе вы без труда сможете приобрести топливо высокого качества, а также специальные синтетические масла.
Если для вашего стиля езды характерны спокойствие, предусмотрительность и осторожность, и к тому же вы практичный и бережливый человек, то излишки мощности турбированного двигателя вам просто не нежны. А вот надежность, простота в обслуживании и долговечность атмосферного мотора, позволят значительно сэкономить затраты на его повседневную эксплуатацию
Не забываем!
Всё ремонтируется, вопрос остается только в выборе СТО. Этот выбор только за Вами!
Проблемы турбоямы
Что такое турбояма, отлично знают все водители, чьи автомобили оснащены моторами с нагнетателем воздуха — это провал мощности двигателя на несколько секунд во время выжатой педали газа и затем резкий скачок оборотов, когда даже со стороны видно, что автомобиль на ровном месте тряхнуло.
Технически эффект происходит за счет того, что крыльчатка турбины не может быстро раскрутиться на низких оборотах мотора. Минимальная скорость вращения коленвала и не разогретое масло препятствуют тому, чтобы в цилиндры поступало достаточное количество воздуха. Когда в процессе разогрева поступление кислорода увеличивается, резко растет и выхлоп, который в свою очередь позволяет нагнать в цилиндры больше кислорода. Топливо начинает быстро гореть и дает скачок в частоте оборотов.
Каков итог?
Судя по тому, что рассказали нам специалисты, современные турбомоторы вполне надежны конструктивно и способны отработать отнюдь не только гарантийный срок и послужить верой и правдой не только первому владельцу автомобиля. По крайней мере пресловутые «минус 30% ресурса» можно смело считать мифом.
Тем не менее определенного внимания к себе такие двигатели требуют. Прежде всего, не стоит экономить на обслуживании и необходимых расходных материалах, а также на качестве топлива. В случае с пострагантийным автомобилем нелишним будет несколько сократить рекомендованный межсервисный пробег и менять масло чаще, чем предписано производителем. Кроме того, не стоит увлекаться чип-тюнингом, а автомобили, подвергшиеся ему, следует проверять перед покупкой вдвойне внимательно.
Фото: компании – производители автомобилей и турбокомпрессоров, компания «БР Турбо, журнал «Движок»; инфографика: журнал «Движок»