Турбинный двигатель на автомобиле: его преимущества и недостатки
Вопросы, рассмотренные в материале:
- В чем отличия турбинных двигателей на автомобиле от обычных
- Какой принцип действия у турбинного двигателя на автомобиле
- В чем преимущества и недостатки турбинного двигателя
Автовладельцы наверняка слышали об автомобилях, комплектация которых предполагает наличие турбированного двигателя. Такие двигатели внутреннего сгорания (ДВС) имеют как почитателей, так и противников. В этой статье поговорим о том, в чем заключаются преимущества и недостатки турбинных двигателей на автомобиле.
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.
Принцип работы турбинного двигателя на автомобиле
В зависимости от устройства и принципа действия ДВС бывают:
- атмосферными;
- турбированными.
Разница между ними заключается в том, что в систему турбонаддува входит компрессор, интеркулер, регулятор давления наддува и пр. Основным элементом является турбокомпрессор, который отвечает за повышение давления в системе впуска воздуха. Интеркулер необходим для охлаждения воздуха и увеличения его плотности.
Система находится под управлением регулятора наддува – перепускного клапана, который контролирует давление газов. Ограничивая их количество, клапан создает оптимальное давление в системе.
Турбокомпрессор функционирует следующим образом:
- Пройдя сквозь воздушный фильтр, воздух достигает входного отверстия.
- Воздух сжимается, процент содержания в нем кислорода повышается; за счет нагрева воздуха уменьшается его плотность.
- Воздушная масса выходит из турбинного компрессора, попадает в интеркулер, где охлаждается.
- Через дроссель и впускной коллектор сжатый воздух попадает в цилиндры двигателя.
- Часть образовавшихся при работе двигателя выхлопных газов подается турбиной обратно в коллектор турбины; за счет этого воздушного потока приводится в движение вал, на одном из концов которого находится компрессор.
- После этого воздух начинает повторно сжиматься.
Бензиновые и дизельные турбинные двигатели на автомобилях практически идентичны, разница заключается только в уровне наддува. Для дизельных ДВС необходимо большее давление, в связи с этим они комплектуются более мощными нагнетателями воздуха. Бензиновым двигателям достаточно нагнетателей меньшей мощности, поскольку излишнее давление в камере сгорания может привести к детонации.
- Бензиновый турбинный двигатель на автомобиле представляет собой ДВС с искусственно увеличенным благодаря турбине уровнем сжатия воздуха в камерах. За счет повышения этого параметра увеличивается мощность мотора и ряд других характеристик.
Создав самый первый силовой агрегат, инженеры начали попытки увеличения его мощности без значительного изменения объема мотора. Казалось бы, решить эту задачу очень просто, позволив ДВС более эффективно «дышать». Дополнительный объем воздуха, поступающий в цилиндры принудительно, под давлением, способен улучшить параметры сгорания топливовоздушной смеси.
За счет большего объема воздуха топливо может прогорать полностью, тем самым повышая мощность. Однако внедрение новых технологий происходило медленно. Изначально турбокомпрессоры устанавливались только на большие двигатели кораблей и авиации.
- Турбодизельные агрегаты имеют практически аналогичное строение. Разница между бензиновым и дизельным турбинным двигателем на автомобиле заключается в наличии интеркулера – узла, охлаждающего воздух перед его поступлением в цилиндры. Так как холодный воздух имеет меньший объем по сравнению с теплым, он может поступить в цилиндры в большем количестве.
Преимущества и недостатки турбинных двигателей
Владельцы автомобилей с турбинными двигателями говорят о следующих преимуществах турбины:
- Дополнительная бесплатная мощность двигателя автомобиля. Считается, что благодаря турбине на выхлопном коллекторе ДВС возникает добавочная энергия, вращающая аналогичную турбину на впуске. Таким образом, выхлопные газы используются в качестве бесплатного источника энергии для нагнетателя.
Впрочем, назвать эту теорию бесспорной нельзя, поскольку выпуск обладает так называемым сопротивлением. Инженеры на протяжении десятков лет работали над тем, чтобы снизить это сопротивление, поскольку в противном случае мощность двигателя не увеличится.
Для этого система комплектуется специальным генерирующим устройством, существенно уменьшающим выходное сопротивление. Соответственно, считать, что энергия, используемая турбонаддувом, является бесплатной, нельзя. Скорее ее можно считать дешевой.
Технически процесс достаточно прост. Нагнетатель является устройством, конструкция которого включает в себя два колеса – компрессорное и турбинное. Колесо турбины начинает вращаться за счет выхлопных газов, а затем приводит в движение компрессорное колесо, служащее для сжатия воздуха.
Компрессор взаимодействует с системой охлаждения автомобиля, так как в процессе эксплуатации он сильно нагревается. Для регулирования силы наддува используется перепускной клапан. При необходимости снизить давление внутри системы часть выхлопных газов пускается в обход турбины.
- Мощность ДВС увеличивается, при этом его объем и масса остаются неизменными. Благодаря используемой технологии турбонаддува мощность силового агрегата повышается, несмотря на неизменность объема и количества цилиндров. Результатом является улучшение характеристик небольших двигателей, уменьшение общей массы авто, снижение тормозного пути и времени разгона.
- Автомобили с турбинным двигателем являются более экономичными, они потребляют в несколько раз меньше топлива, чем требуется авто с атмосферными моторами аналогичной мощности. Объяснить это можно тем, что один ход поршня в цилиндре турбинного силового агрегата за счет полного сгорания топлива расходует меньшее количество горючего. То есть мощность возрастает за счет насыщения топливовоздушной смеси дополнительным объемом воздуха.
Рассуждая о том, плохо или хорошо иметь автомобиль с турбинным двигателем, отметим и недостатки такого мотора:
- Зависимость работы турбины от оборотов. При разгоне авто на малых оборотах двигателя турбина не запустится, активного увеличения скорости не произойдет. Динамика разгона будет даже меньше, чем у ТС с обычными атмосферными моторами. На малых оборотах энергия выхлопных газов невелика, следовательно, вращение турбины нагнетателя будет слабым, а давление в камере сгорания – минимальным. Эффект от использования турбинного двигателя возникает лишь при высоких оборотах силового агрегата.
- Процесс нагнетания воздуха происходит достаточно медленно. Создание необходимого давления на впуске требует определенного количества времени. Благодаря работе инженеров, занятых решением этой проблемы, интервал в работе нагнетателя стал несколько меньше.
- Если комплектация авто предусматривает АКПП или вариатор, то при разгоне трансмиссия может автоматически перейти на более низкую передачу, уменьшая негативные последствия от инертности нагнетателя.
На сегодняшний день справиться с проблемой инертности турбинного двигателя на автомобиле можно за счет:
- битурбонаддува (двойного наддува);
- турбины с адаптивной геометрией;
- комбинированного наддува.
Двойной турбонаддув предполагает использование двух небольших турбин, работающих в итоге быстрее по сравнению с одной, но большей по размеру. На каждую турбину приходится равное число цилиндров двигателя. В качестве аналогии можно рассмотреть несколько компрессоров, начинающих работать в своем режиме при разных оборотах ДВС.
Турбина с адаптивной геометрией за счет изменения размера впускного канала может регулировать силу потока выхлопных газов, тем самым увеличивая эффективность работы турбинного двигателя автомобиля.
Конструкция комбинированного наддува включает турбокомпрессор и механический нагнетатель. При работе двигателя на малых оборотах давление создается за счет нагнетателя, но при увеличении оборотов до определенной величины включается турбинный компрессор.
Ранее отмечалось, что из-за сжатия воздуха температура в системе существенно возрастает, что отрицательно сказывается на ДВС. Чтобы избежать негативных последствий, используется дополнительное охлаждение, расходующее часть энергии.
Хотя у турбинного двигателя на автомобиле и есть определенные недостатки, все же он отлично повышает мощность, эффективность и экономичность силового агрегата. К тому же, специалисты полагают, что существуют дополнительные возможности усовершенствования турбомоторов.
Считается, что более простые двигатели являются более надежными. Исходя из этой логики, атмосферные ДВС должны быть более долговечными вследствие своей большей простоты. У турбинных двигателей на автомобилях больше элементов, соответственно, они имеют более сложное строение. Несмотря на их достаточно высокую надежность, в случае возникновения проблем с мотором затраты на его ремонт будут выше из-за более сложной конструкции.
Высокие нагрузки могут ускорить износ ряда узлов ДВС, что, соответственно, приведет к сокращению срока службы силового агрегата в целом. Сама турбина также подвергается повышенным нагрузкам: высокая скорость вращения лопаток, большой нагрев – все это способно привести к выходу ее из строя спустя 100–150 тыс. км. Конечно, не последнее значение имеют используемые смазочные материалы, топливо, качество самой турбины и т. п. Ну и стоимость турбокомпрессоров достаточно высока.
Отзывы водителей о турбинных двигателях
А что говорят водители о турбомоторах? Обратимся к отзывам автовладельцев о турбинных двигателях на автомобиле.
- Расход топлива не отличается
– Турбина – отличная вещь, обычно включается, когда обороты поднимаются до 3 000. Значит, если сильно не разгоняться, то охлаждение не нужно, да и расход топлива будет таким же, как у обычного мотора.
- Турбины живут долго при аккуратном уходе
– Нормальный уход и своевременная замена масла в двигателе – залог длительной службы классических турбин даже на бензиновых ДВС, они вполне смогут пройти 1,5–2 сотни тысяч и даже больше. Стоят турбины от 20 до 60 тыс. рублей, к тому же можно выбрать новую, б/у или китайский аналог. Чаще всего поломки не касаются механики турбины. На новых аппаратах ставят актуаторы управления, вот они из-за жестких условий эксплуатации чаще всего и выходят из строя.
Как долго турбина будет работать, зависит от условий эксплуатации автомобиля. Если она поломалась, отремонтировать чаще всего возможно, однако стоить это будет весьма недешево.
- Турбины на дизеле долго ходят
– Дизельные автомобили все должны быть с турбинными двигателями. Их легко тюнинговать, а работают они долго. Современные авто с турбомоторами разгоняются, конечно, очень быстро, даже если литраж маленький. Проблема одна – греются плохо и сами, и салон прогревают тоже неважно. У меня был 1,4 TSI – зимой не жарко было.
- Низкие обороты турбине не страшны
– Современные автомобили с турбинными двигателями не предполагают каких-то особых условий эксплуатации. Раньше нельзя было сразу глушить машину, нужно было дать турбине остыть. Низких оборотов турбина не боится. Хотя сейчас моторы усовершенствованы и системы охлаждения на современные ДВС ставят инновационные, долго с включенной турбиной ездить не стоит, ресурс турбонагнетателя снижается.
Из-за резких ускорений и торможений турбина не страдает, поскольку у современных узлов есть клапаны сброса давления, которые ограничивают подачу воздуха и предотвращают детонацию, а также перепускной клапан, который поддерживает постоянное вращение компрессорного колеса, чтобы избежать эффекта турбоямы, оставив последующий быстрый отклик.
- Не жмите газ для быстрого прогрева
– Пока двигатель не прогреется хотя бы до +50…+60 °С, не стоит его сильно нагружать. А вот когда прогреется, зазоры тепловые достигают заданных параметров, смазка и масло моторное тоже прогреваются. В общем, только заведя машину, не стоит сразу жать на газ, чтобы она быстрее прогрелась. В таком случае отработанные газы (а они горячие) начнут воздействовать на турбину, а из-за того, что масло недостаточно прогрето, оно хуже циркулирует в системе, что в итоге приводит к перегреву и повышенному износу турбины.
- Глушить машину сразу после динамичной поездки не стоит
– Не надо глушить автомобиль с турбинным двигателем сразу после поездки, если во время езды вы активно использовали турбину, разогревая ее до сотен градусов. Если во время езды турбина подвергалась высоким нагрузкам, то пусть мотор 3–5 минут поработает на холостых оборотах. В этом случае работает масляный насос, масло циркулирует, отводит тепло и разводит смазку по турбине, которая по инерции вращается.
Эксплуатация ДВС на высоких оборотах приводит к тому, что турбокомпрессор совершает 100, а то и 250 тыс. оборотов в минуту. Если сразу двигатель выключить, то из-за перепада температуры в турбине, она быстрее из строя выйдет. Жар от турбины попадает в корпус подшипника, от этого карбонизируется масло, появляются отложения в системе подшипников, вал турбины повреждается. Но если эксплуатировать автомобиль в спокойном режиме, в городе в том числе, то никаких ограничений по времени выключения двигателя нет.
