Турбокомпрессоры с изменяемой геометрией

Турбокомпрессоры с изменяемой геометрией

Турбокомпрессоры с изменяемой геометрией (далее здесь — ТИГ) — тип турбокомпрессоров/турбонагнетателей, характеризующийся возможностью изменения сечения на входе колеса турбины с целью оптимизации мощности турбины для заданной нагрузки.

Необходимость изменения сечения обусловлена тем, что оптимальное сечение при низких оборотах существенно отличается от оптимального сечения при высоких оборотах. Если сечение классического турбокомпрессора слишком большое, то на низких оборотах эффективность турбокомпрессора будет низкой. Если сечение слишком маленькое, то эффективность будет низкой на высоких оборотах [1] .

За счет возможности изменения сечения ТИГ улучшают отклик, повышают мощность и крутящий момент, снижают потребление топлива и количество вредных выбросов [2] .

ТИГ чаще встречаются на дизельных двигателях. Это связано с тем, что ТИГ более надежны при относительно низких рабочих температурах, характерных для дизельных двигателей. В настоящее время, благодаря использованию новых, более износостойких материалов, ТИГ всё чаще устанавливаются на бензиновые двигатели, особенно в спортивных автомобилях.

Ручейковый ремень может оборваться не только из-за перепробега, но и в результате поломки натяжного ролика. Как правило, ролик перекашивается, начинает тереться о кожух ремня ГРМ. Следует хотя бы раз в месяц наблюдать за поведением натяжителя (он должен колебаться с минимальной амлитудой), должны отсутствовать подозрительные признаки трения ролика о кожух ремня ГРМ. Нередко излом натяжителя связан с поломкой обгонной муфты генератора.

При обрыве приводного ремня его наматывает на шкив коленвала. В самых неудачных случаях ремень или его фрагменты попадают под звезду зубчатого ремня ГРМ, что моментально вызывает его проскакивание с очень печальными последствиями. Клапана и поршни «встречаются», нанося друг другу повреждения.

Почему возникает необходимость в ремонте геометрии турбины?

Направляющий аппарат турбокомпрессора может выходить из строя по двум причинам.

Ситуации, требующие внимания:

• естественный износ элементов, втулок, подвижных составляющих, которым приходится работать в суровых условиях (образуются зазоры);
• усиленное нагарообразование, сопровождающееся нарушением подвижности узлов (заклинивает привод, лопатки, из-за чего образующееся давление не соответствует требуемым показателям).

Нагарообразование – главная причина неполадок. Если возникли нарушения в работе геометрии, требуется диагностика, поиск первопричины подобного дефекта. Ведь сам агрегат является надежным и производительным устройством.

Почему происходит чрезмерное образование нагара, закоксовывание:

1. Если используется низкокачественное топливо с примесями, образуются продукты сгорания. Их чрезмерное содержание в выхлопах опасно для системы.
2. Нарушения в процессе топливообразования также сказываются на качестве и составе выхлопных газов.
3. Неисправности двигателя – износ поршневых колец, клапанов – приводит к проникновению рабочей жидкости и ее последующему закоксовыванию.
4. Нарушение условий эксплуатации – активная езда на непрогретом моторе, преждевременное переключение передач – приводит к износу.
5. Неполадки, связанные с самим турбокомпрессором, проблемы с уплотнениями ротора в картридже сопровождаются попаданием масла.

Заклинивание, отказ системы случается и по другим причинам:

1. Со стороны выпускного коллектора попадают инородные тела.
2. Происходит перегрев турбины и разрушение лопаток направляющего аппарата.
3. В случае обрыва колеса турбокомпрессора механизм повреждается.

В подобных ситуациях ремонт предполагает замену геометрии, так как восстановление невозможно. Столь серьезные дефекты происходят при несвоевременном обращении в сервис.

Супертурбо: все продвинутые системы наддува

Битурбо, твинтурбо, твинскролл. Наверняка вы давно хотели разложить для себя по полочкам, что как работает и чем отличается. Мы подготовили для вас подробный рассказ о плюсах, минусах и надежности каждой из технологий.

Я предельно упростил формулировки, чтобы текст был доступен для понимания широкому кругу читателей. Но для лучшего понимания вопроса рекомендую прочитать мои прошлые публикации о видах наддува и надежности турбомоторов .

Прогресс не стоит на месте, и каждое новое поколение автомобилей должно быть быстрее, экономичнее и мощнее. Часто для повышения мощности используются комбинированные системы наддува, да и «обычные» турбины вовсе не так просты, как кажется на первый взгляд. Каким же образом инженеры научили турбомоторы быть одновременно мощными, эластичными и экономичными? Какие технологии позволяют создавать массовые двигатели с удельной мощностью в 150 л.с. на литр и отличной тягой на низах, и тысячесильных монстров?

«Обычная» турбина

Как я уже писал, турбокомпрессор прост на первый взгляд, но является высокотехнологичным устройством, которое работает в очень жестких условиях. И любое его усложнение сильно сказывается на надежности. Для примера я постараюсь подробнее описать устройство типичного турбокомпрессора без особых усложнений.

Основной частью турбокомпрессора является средний корпус, в нем расположены подшипники скольжения, упорный подшипник и седло уплотнения с кольцами. В самом корпусе есть каналы для прохождения через него масла и охлаждающей жидкости. На совсем старых конструкциях обходились только маслом и для смазки и для охлаждения, но такие турбины не применяются на серийных машинах уже давно. Для предохранения среднего корпуса от воздействия горячих выхлопных газов служит жароотражатель.

В средний корпус устанавливается турбинный вал. Эта деталь не просто вал, конструктивно он соединен с турбинным колесом неразъемным соединением, чаще всего сваркой трением или выполнен из цельного куска металла. Иногда для создания крыльчатки используется керамика-прочности и коррозийной устойчивости лучших конструкционных сталей может не хватать. Сам вал имеет сложную форму, на нем есть утолщение для уплотнения и упорный выступ, а форма цилиндрической части рассчитана с учетом теплового расширения во время работы.

На турбинный вал надевается компрессорное колесо. Оно изготовлено обычно их алюминия и фиксируется на валу гайкой.

Конструкция из среднего корпуса, установленного в него турбинного вала и компрессорного колеса называется картриджем. После сборки этот узел тщательно балансируется, ведь работает он при очень высоких оборотах и малейший дисбаланс быстро выведет его из строя.

Еще турбине нужны две «улитки» — турбинная и компрессорная. Часто они индивидуальны для каждого производителя машин, тогда как центральная часть — картридж и размеры турбинного и компрессорного колеса являются признаками конкретной модели турбины и ее модификации.

Для предохранения от слишком высокого давления наддува используется клапан сброса давления газов, он же вастегейт. Обычно он является частью турбинной улитки и управляется вакуумом. Он закрыт при обычном режиме работы турбины и открывается в случае слишком высокого давления наддува или других проблем в работе мотора, сбрасывая скорость вращения турбины.

А теперь о том, как используют турбины и какие технологии применяют, чтобы достичь самых высоких показателей моторов.

Twin-turbo и Bi-turbo

Чем больше и мощнее мотор, тем больше воздуха нужно подавать в цилиндры. Для этого нужно сделать турбину больше или быстрее. А чем больше размер турбины, тем тяжелее ее крыльчатки и тем инерционнее она получается. При нажатии на педаль газа открывается дроссельная заслонка и больше горючей смеси попадает в цилиндры. Образуется больше выхлопных газов и они раскручивают турбину до более высокой частоты вращения, что, в свою очередь, увеличивает количество подаваемой горючей смеси в цилиндры. Чтобы сократить время раскрутки турбин и сопутствующую им «турбояму», изначально испробовали способы, которые называются твин-турбо и би-турбо.

Это две разные технологии, но маркетологи компаний-производителей внесли немало путаницы. Например, на Maserati Biturbo и Mercedes AMG Biturbo на самом деле используют технологию твин-турбо. Так в чем же разница? Изначально Twin Turbo («турбины-близнецы») называлась технология, при которой выхлопные газы разделялись на два равных потока и распределялись на две одинаковые турбины малого размера. Это позволяло получить лучшее время отклика, а иногда и упростить конструкцию мотора, используя недорогие турбокомпрессоры, что очень актуально для V образных двигателей с выхлопными коллекторами «вниз».

Фото:twin turbo Nissan

Обозначение Biturbo («двойная турбина») же относят к конструкциям, в которых применяются последовательно подключенные ко впуску две турбины-маленькую и большую. Маленькая хорошо работает на малой нагрузке, быстро раскручивается и обеспечивает тягу «на низах», а потом в действие вступает большая турбина, более эффективная на большой нагрузке. Маленькая турбина в этот момент отключается системой дроссельных заслонок.

Преимуществом такой схемы является большая эффективность одной большой турбины на большой нагрузке: она обеспечивает лучшее давление и меньший нагрев воздуха при большом ресурсе. А еще вместо маленького турбокомпрессора можно использовать механический или электронагнетатель. Они нагревают воздух меньше, чем турбокомпрессор, и не инерционны.

Но как же потери мощности, которые нужны для их раскрутки? Потери на их привод при малой нагрузке не так существенны. Но расплатой за улучшение характеристик турбин является усложнение впускной системы, приходится использовать много труб и дроссельные заслонки, переключающие потоки воздуха.

Обе технологии используются до сих пор всеми производителями, но все они значительно удорожают мотор, ведь дорогих турбокомпрессоров становится в два раза больше, а система управления ими — сложнее. Для сильно форсированных моторов альтернативы этим технологиям нет или почти нет. Но иногда можно просто улучшить конструкцию стандартной турбины.

Тонкое управление вастегейтом

Wastegate – это, дословно, «ворота для сброса», то есть перепускной клапан. На первых турбинах вастегейт работает очень просто: когда давление на впуске преодолевало натяжение пружины, он открывался, стравливал газы и давление падало. Позже систему усложнили: теперь его открытием руководила не только разница давлений, но и электроника, учитывающая множество параметров — обогащение смеси, режим движения, температуру, детонацию и умеющую избегать нежелательных режимов работы самой турбины. Но управлялся он точно так же — пневматикой. Когда нужно было сбросить давление, клапан просто открывался.

Получить качественный скачок характеристик позволяла плавная регулировка степени открытия перепускного клапана. В этом случае турбина может чаще работать с максимальной отдачей, даже при малых оборотах, а на средних нагрузках уже вступает в действие регулирование и в опасные режимы турбина не переходит.

К сожалению, такой способ сложнее. Для его реализации потребовалось разместить электропривод регулировки рядом с турбиной, что понизило ее надежность: электронике приходится работать в очень жестких условиях, при высокой температуре и высокой вибрации. Но улучшение характеристик стоит того и почти все современные турбины высокофорсированных небольших моторов имеют такую конструкцию.

Более эффективное турбинное колесо. Twinscroll

В поисках повышения эффективности одиночной турбины конструкторская мысль придумала способ, который позволял увеличить эффективность работы турбины и на малых и на больших нагрузках. Турбинное колесо, на которое воздействуют выхлопные газы, разделили на две части, отсюда и название технологии – twin scroll (“двойная улитка”), одна часть турбины более эффективна на большой нагрузке, а другая — на малой, но раскручивают они одно и то же компрессорное колесо на общем валу. Турбина получается не намного сложнее, но несколько эффективнее.

Действительно, автомобиль с установленной турбиной становится мощнее. Дело в том, что чем больше топлива за единицу времени сжигает мотор, тем он мощнее. И для сгорания большого количества горючего нужен воздух. В принципе непосредственно с забором воздуха двигатель может справиться сам. Но турбина позволяет значительно увеличить объем этих воздушных масс и повысить давление. Таким образом, подача воздушно-топливной смеси возрастает, но при этом рабочий объем цилиндров двигателя сохраняется. В среднем турбонаддув делает силовой агрегат мощнее на 50%.

У турбины есть и другие плюсы: снижается токсичность отработавших, то есть выхлопных, газов, и повышается крутящий момент — следовательно, водителю не нужно слишком часто переключать передачи на механической коробке.

Принцип работы этого механизма относительно прост. Поток выхлопных газов попадает на механическую крыльчатку турбины и приводит ее в движение, а заодно и лопасти компрессора, который и нагнетает в цилиндры мотора воздух. Таким образом, туда попадает больший объем смеси воздуха с топливом. Она быстро сгорает, и образуется газ, находящийся под значительным давлением. Это приводит к возникновению большой силы, давящей на поршень двигателя. Другими словами, турбокомпрессор в автомобиле подает тепловоздушную смесь в двигатель внутреннего сгорания, используя энергию выхлопных газов.

При соблюдении правил эксплуатации и должном уходе турбина может прослужить несколько лет. Рекомендуется менять турбокомпрессор примерно через каждые 200 000 км пробега, но все, конечно, зависит от состояния агрегата. Если после 200 000 км турбина в хорошем состоянии, замена не требуется. А вот обслуживать турбину и всю воздушную систему нужно через каждые 70 000–90 000 км пробега. Чаще всего «вмешиваться» в работу турбонаддува приходится, если он загрязняется, покрывается ржавчиной или ломается.

Основными причинами неисправности турбин являются:

• загрязнение воздушного фильтра;
• несвоевременная замена моторного масла или его низкое качество, использование неподходящего топлива;
• наличие примесей в моторном масле, смешивание масла с топливом;
• низкий уровень охлаждающей жидкости;
• недостаточное количество смазки для турбокомпрессора;
• некорректная настройка подачи топлива;
• не настроенная система зажигания;
• утечка выхлопных газов между коллектором и турбокомпрессором;
• потеря герметичности во впускном коллекторе;
• засорение отвода воздуха из компрессора;
• заклинивание системы изменения геометрии турбины;
• попадание инородного предмета во впускной коллектор;
• слишком большой люфт электронного актуатора;
• неисправность клапана управления турбиной;
• недостаточная компрессия в двигателе и так далее.

Как мы уже сказали, чтобы заменить, очистить или отремонтировать турбонаддув, его необходимо демонтировать. Снять турбину с дизеля или с бензинового двигателя не так просто, как может показаться на первый взгляд, ведь демонтаж турбины требует наличия определенных знаний, опыта, а еще — осторожности.

Как снять турбину с двигателя: пошаговая инструкция

Двигатель автомобиля имеет сложное техническое устройство. Если автовладелец решился самостоятельно снять турбину с двигателя, он должен отдавать себе отчет в том, что есть риск не справиться с проблемой или вовсе сделать еще хуже. Непрофессиональное вмешательство порой приводит к необратимым последствиям.

Просто открыть капот и снять турбину своими руками не получится. К демонтажу нужно основательно подготовиться — получить недостающие знания, посоветоваться со специалистами, приобрести инструменты и следовать некоторым правилам. Во-первых, приступать к работе можно лишь после того, как двигатель остыл. Во-вторых, не стоит снимать турбину, не убедившись, что причины неполадок кроются именно в поломке этого механизма. Например, изменение тяги в двигателе нередко происходит из-за неисправностей датчиков или из-за попадания воздуха в обход системы пуска. В-третьих, автовладелец при снятии турбокомпрессора должен исключить вероятность попадания мусора и грязи в корпус самой турбины, а также в патрубки и в открытые каналы двигателя. Также лучше иметь при себе запасные уплотнители и крепежи, если окажется, что какие-либо детали износились. Ну и конечно, отсоединяя турбину, важно четко соблюдать последовательность действий.

А проходит демонтаж турбин в несколько этапов.

1. Подготовка автомобиля. Она проводится за день до извлечения турбины. Крепления турбокомпрессора смазываются керосином или специальным средством WD-40. Это позволит быстро и безопасно открутить гайки и болты. Также заблаговременно следует отключить бортовой компьютер и всю электронику, в том числе контроллер электронной системы управления двигателем, чтобы предотвратить короткое замыкание или повреждение проводки. Для этого достаточно отсоединить отрицательную клемму от аккумулятора.
2. Открытие доступа . Турбина находится справа или слева от двигателя между впускным и выпускным коллекторами. Если доступ к узлу открыт, демонтаж потребует меньше времени и сил. Однако компрессор может быть закрыт другими комплектующими, например генератором, аккумуляторной батареей или резервуаром для стеклоомывающей жидкости. Все эти элементы нужно убрать. Некоторые автопроизводители устанавливают крыльчатку выше, из-за чего открыть доступ гораздо сложнее. Так, чтобы снять турбину у «Ниссан Патфайндер», придется отсоединить кузов от рамы. Сделать это, не имея квалификации автослесаря, практически невозможно.
3. Отключение системы охлаждения и системы смазки турбины. Прежде чем отключить их, нужно промаркировать шланги, которые отвечают за поступление и отвод масла от турбины. Это нужно, чтобы потом можно было без проблем присоединить все обратно. Отработанное масло с двигателя необходимо слить и, используя спецсредства, убрать с мотора остатки технической жидкости. Также демонтируется масляный и воздушный фильтры, воздушные патрубки, а затем — маслопровод турбины. Под трубку слива моторной жидкости следует заранее поставить лоток. Если трубки закоксованы, их также нужно промыть.
4. Снятие турбокомпрессора . На этом этапе демонтируется участок, соединяющий турбину с выхлопной трубой. При этом важно сохранить все уплотнительные элементы и крепления, которые не требуют замены, и запомнить их расположение.
5. Отсоединение турбины от трубы подачи воздуха. Далее отсоединяется участок, на котором турбина крепится к двигателю, — верхний патрубок. Снимается он гораздо проще, поскольку контактирует с куда менее горячим воздухом, а болтовые соединения здесь в более хорошем состоянии. Все болты и гайки нужно открутить и сохранить.
6. Отключение турбины от коллекторного узла. Турбина отсоединена, ее можно извлекать из автомобиля — демонтаж турбины с двигателя завершен.

После того как турбина извлечена, механизм необходимо очистить и осмотреть — его корпус может быть поврежден. Все детали турбины следует промыть и обезжирить, а корпус, клапан и прочие внешние элементы — подвергнуть пескоструйной очистке.

Альтернатива самостоятельному демонтажу

Безусловно, снятие турбины — трудоемкий процесс. Как следует из описанного выше, чтобы демонтировать механизм, водителю придется не просто открутить болты и отсоединить шланги. Необходимо также знать, как произвести очистку геометрии, как снять горячую часть турбины и многое другое. К тому же у человека без квалификации это займет немало времени.

Важно понимать, что грубого демонтажа деталей и замены картриджа будет недостаточно. Ведь турбину после снятия необходимо настроить, иначе такой «ремонт» окажется попросту бессмысленным, поскольку механизм может довольно быстро сломаться снова.

Мало кто захочет тратить уйму времени на столь непростую работу, рискуя при этом в итоге оказаться без исправного автомобиля. Водитель может быть уверенным в том, что турбина будет грамотно демонтирована, а проблема устранена, если сразу обратится к профессионалам.

Чаще всего водители демонтируют турбокомпрессор сами, желая сэкономить. Однако не стоит забывать, что действия неподготовленного автовладельца могут осложнить ситуацию — в результате понадобится еще более дорогостоящий ремонт, чем требовался изначально. Между тем стоимость снятия турбины в специализированной компании составляет в среднем 3000–5000 рублей.

Квалифицированные работники автомастерских строго соблюдают порядок снятия турбины. Специалисты знают, как действовать, чтобы не повредить элементы механизма при демонтаже, как почистить комплектующие, какие детали и дополнительные работы понадобятся. В специализированном центре произведут полную диагностику автомобиля, выявят и устранят проблему, отремонтируют и установят турбину или заменят ее на новую при необходимости.

Когда дело доходит до таких важных и при этом «капризных» элементов автомобиля, как турбонаддув, скупой рискует заплатить не дважды, а трижды или того больше. Даже четко следуя инструкции по снятию турбины, автовладелец не получает никаких гарантий. Чтобы не ремонтировать до бесконечности свое авто, тратя время и деньги, водитель может обратиться в специализированную компанию. Квалифицированные специалисты автомастерских обладают большим опытом в решении подобных задач, им по силам демонтаж турбины и ремонт любой сложности. К тому же, если выяснится, что проблема вовсе не в турбине, профессиональный подход автомехаников к диагностике позволит избежать лишних затрат.

Пармон Анна Сергеевна Ответственный редактор

О том, что тур­би­на сло­ма­лась, мо­гут сви­де­тельст­во­вать по­сто­рон­ние зву­ки при за­ве­ден­ном дви­га­те­ле, из­ме­не­ние цве­та вы­хлоп­ных га­зов на си­ний или бе­лый, уве­ли­че­ние рас­хо­да топ­ли­ва или по­ни­же­ние мощ­нос­ти ав­то. В та­ких слу­ча­ях луч­ше не мед­лить и как мож­но ско­рее вос­поль­зо­вать­ся услу­га­ми про­фес­си­о­на­лов.

Самостоятельный ремонт турбины: что делать, если турбокомпрессор сломался?

Замена турбины: от чего зависит стоимость работ и на какие цены ориентироваться?

Ремонт турбин в Москве: сколько стоит ремонт турбокомпрессора и куда можно обратиться за услугой?

© 2021 АО «Аргументы и Факты» Генеральный директор Руслан Новиков. Главный редактор еженедельника «Аргументы и Факты» Игорь Черняк. Директор по развитию цифрового направления и новым медиа АиФ.ru Денис Халаимов. Шеф-редактор сайта АиФ.ru Владимир Шушкин.

Типы турбокомпрессоров

Турбокомпрессоры с фиксированной геометрией.

Используются в бензиновых двигателях и слабых дизелях. Давление наддува регулирует специальный перепускной клапан. Клапан управляется с помощью вакуумного привода через тягу.

Тяга и пневмопривод, как правило, расположены вдоль оси турбокомпрессора или по диагонали.

Если у вас имеется какая-либо из этих ошибок, то на 99% дело в заклинившем актуаторе привода изменения геометрии турбокомпрессора.

Причин может быть несколько, но основные это:

1. Из-за позднего отключения системы EGR и регенерации сажевого фильтра, т.к. забивается сажей сам механизм изменения геометрии и потом все это дело заклинивает в одном положении и не способно в принципе куда-то двигаться, пока все не разберешь и не прочистишь.

2. Далее п.1 тянет за собой поломку моторчика актуатора из-за чрезмерных нагрузок.

3. Естественный износ самого механизма актуатора (внутри там находятся пластиковые шестеренки, которые подвержены износу). Особенно, это проявляется при забитом сажевом фильтре.

Теперь рассмотрим варианты решения данной проблемы. Основных их четыре. Пойдем от наиболее дорогого к наименее затратному.

1. В большинстве автосервисов при появлении вышеперечисленных ошибок вам предложат замену турбины на новую. Это самый простой, но и одновременно, самый дорогой вариант решения проблемы. На данный момент новая турбина Borg Warner стоит около 70-80 тысяч рублей, плюс работа по её замене.

2. Замена турбокомпрессора на ТКР с фиксированной геометрией от двигателя Евро-3/4.

Holset HE200WG

Стоимость оригинального ТКР около 28 000р., плюс потребуется выпускной коллектор от двигателя Евро-3/4:

К этому добавятся некоторые сварочные работы по фланцу катализатора и т.д., ну и, конечно же, обязательна прошивка ЭБУ под новую турбину.

Суммарные затраты выходят около 50 000 руб.

3. Ремонт/замена самого актуатора.

Стоимость порядка 17000р. Но рекомендовать данный способ не буду, ввиду сложной повторяемости метода.

Если подвернется б/у исправный актуатор, то это нормальный вариант. А ремонты, неоригинальные акруаторы это все спорно, т.к. не раз видел работу турбины после ремонта актуатора и могу сказать, что это не то же самое, что и новая исправная турбина. Вроде и работает, но не так, как нужно.

4. Теперь расскажу о наиболее бюджетном способе. Его суть заключается в том, что при выходе из строя актуатора, мы не занимаемся его починкой, заменой и т.д.

Делается следующее: геометрия турбокомпрессора вручную выставляется в определенное положение и в нем же фиксируется. Блок управления двигателем ISF2.8 прошиватся для исключения из системы актуатора и отсутствия ошибок на приборной панели. Автомобиль отлично едет и больше не доставляет хлопот с системой изменения геометрии турбокомпрессора, а бюджет на замену турбины вы пускаете на более необходимые вещи.