Турбина с изменяемой геометрией: как обойти недостатки?

Турбокомпрессор в дизельном двигателе – центральный элемент комфортного и динамичного управления автомобилем. Благодаря турбине, машины даже с небольшим объёмом двигателя становятся настоящими суперкарами, существенно прибавив в мощности.

Но у турбо-технологии есть один недостаток, который водители называют “турбояма”. Он проявляется в снижении мощности двигателя на малых оборотах. Поскольку турбокомпрессор разгоняют выхлопные газы, на небольших оборотах их становится недостаточно для набора оптимальной скорости работы.

Принцип работы турбины с изменяемой геометрией и её преимущества

Убрать турбояму позволяет установка агрегата с меньшим сечением проточной части. Но на высоких оборотах это станет преградой для входящего воздуха и только ограничит мощность двигателя.

По словам специалистов компании Турбомикрон, вариант с изменяемой геометрией объединяет преимущества узла с небольшим сечением на малых оборотах и большого турбокомпрессора на высоких. Работает система так:

• вокруг крыльчатки, которую разгоняют отработанные газы, устанавливаются специальные регулируемые лопатки;
• в момент недостаточного давления газов лопатки изменяют геометрию потока, ускоряя его и повышая производительность турбокомпрессора;
• при наборе мощности вакуумный клапан плавно регулирует геометрию открытия канала, обеспечивая в любой момент времени оптимальные условия работы двигателя.

Такой принцип работы позволяет без существенного изменения конструкции двигателя обойти все недостатки стандартных турбин:

• пропадает провал (турбояма) в тяге на низких оборотах;
• уменьшается расход топлива за счёт более полного сгорания;
• снижается рабочая температура отработанных газов и двигателя;
• увеличивается ресурс двигателя за счёт повышения КПД его работы.

Поломки турбины и их диагностика

Но не лишена такая конструкция и недостатков. К популярным “болезням” турбокомпрессоров добавляется еще и образование нагара, который мешает нормальному функционированию лопаток. Затрудненное или неполное закрытие/открытие лопаток приводит к двум негативным последствиям:

1. передув – когда на высоких оборотах лопатки не отбрасываются, создаётся избыточное давление в системе подачи воздуха. В результате такой неисправности обедняется топливная смесь и даже происходит подрыв выпускных клапанов. Двигатель троит и отказывается работать на высоких оборотах;
2. недодув – обратная сторона предыдущей проблемы, при которой ярко проявляется турбояма.

Восстановление геометрии турбины

В компании Турбомикрон рассказали, что ремонт турбин с поломками геометрии выполняется только путем механической чистки и устранения причины перебоев в работе системы, поскольку кроме засора лопаток нагаром, причина плохой работы геометрии может быть в изношенном клапане актуатора.

Безусловно, работу по восстановлению агрегата лучше доверить профессионалам. Кроме быстрого определения проблемы и качественного решения, они правильно отрегулируют работу геометрии на специальном стенде. Сделать это в домашних условиях не только трудно, но и чревато дополнительными проблемами. Плюс, специалисты дадут гарантию на свою работу от 1 до 3 лет. Это удобно и надежно.

Принцип работы VNT-турбины

Рассматривая принцип работы турбонаддува, мы затронули проблемы, ограничивающие эффективность газовых турбокомпрессоров. Турбина с изменяемой геометрией позволяет расширить зону действия турбонаддува и сделать двигатель более приемистым. Поговорим не только об устройстве системы, но и о симптомах неисправности клапана управления, чистке и регулировке VNT-турбонагнетателей.

Устройство VNT-турбины

На рисунке изображена турбина с изменяемой геометрией, устанавливаемая на автомобили Volkswagen, Skoda. Общее устройство турбокомпрессора и принцип нагнетания дополнительного воздуха не отличается от обычных турбокомпрессоров. Основная особенность в поворотных лопатках, механизме управления и вакуумном приводе.

Принцип работы

Поворотные лопатки вращаются на осях, установленных в опорном кольце. К оси каждой лопатки прикреплены тяги управления, которые при монтаже входят в зацепление с регулировочным кольцом. Направляющий рычаг соединяет регулировочное кольцо с рычагом тяги управления и осью вакуумного привода поворотных лопаток.

При изменении положения оси вакуумного привода регулировочное кольцо проворачивается на определенный угол. За счет этого происходит поворот оси лопаток в опорном кольце. Они синхронно меняют свое положение, изменяя тем самым сечение для потока выхлопных газов.

Принцип работы турбины с изменяемой геометрией основывается на регулировании потока отработавших газов, направляемых на колесо турбины. Регулировка позволяет подстраивать проходное сечение для потока отработавших газов под режим работы двигателя.

Как изменяется давление наддува?

Когда мы рассматривали принцип работы системы изменяемой геометрии впускного коллектора, то говорили о зависимости скорости потока газов от проходного сечения канала. При одинаковом давлении скорость потока газа будет выше в канале с суженым сечением.

Для быстрого выхода турбины в зону эффективной работы на низких оборотах двигателя необходимо высокое давление наддува. В таком режиме работы лопатки уменьшают сечение канала, по которому отработанные газы движутся к крыльчатке турбины. В итоге повышается давление наддува.

В зоне высоких оборотов двигателя увеличивается объем выхлопных газов. Небольшое сечение канал приведет к чрезмерному подпору выхлопных газов, что приведет к плохому наполнению цилиндров свежим зарядом ТПВС. Поэтому с повышением оборотов двигателя лопатки меняют свое положение, увеличивая сечение для прохождения выхлопных газов.

Принцип работы изменяемой геометрии позволяет отказаться от перепускного клапана (wastegate). Через крыльчатку «горячей» части проходит весь поток выхлопных газов. Предотвращение избыточного наддува осуществляется изменением положения поворотных лопаток.

Система в разрезе

1. Лопатки расположены перпендикулярно радиальным линиям, что равняется узкому сечению для потока выхлопных газов. Обеспечивается быстрое нарастание наддува и прибавка крутящего момента в зоне низких оборотов двигателя.
2. Ступенчатое расположение лопаток – большое сечение для потока выхлопных газов. Этот же режим используется в качестве аварийного, когда система самодиагностики регистрирует некорректную работу системы, отсутствует питание на электромагнитном клапане.

Управление геометрией

Изменение геометрии турбины осуществляется блоком управления двигателем. Принцип работы рассмотренной выше системы предполагает наличие электромагнитного клапана управления наддувом. Управляется клапан ШИМ-сигналом. Изменяя скважность сигнала, ЭБУ двигателя устанавливает необходимое разряжение в вакуумной среде привода поворотных лопаток. При таком управлении ЭБУ может плавно и точно управлять регулировочным кольцом, что обеспечивает эффективное сгорание ТПВС на всех режимах работы двигателя.

Когда электромагнитный клапан обесточен, в вакуумной среде атмосферное давление, лопатки установлены в ступенчатом положении. Для плавной регулировки давления наддува ЭБУ постоянно опрашивает датчиковую аппаратуру двигателя.

Принципиальное отличие

Автомобильные газовые турбины всех типов имеют 3 режима работы:

• выход в рабочую зону. Раскручивающийся вал турбины создает сопротивление потоку выхлопных газов, что снижает наполняемость цилиндров и, как следствие, КПД двигателя. Именно с режимом раскручивания турбинного колеса водители связывают явление «турбоямы»;
• зона эффективной работы. При достижении рабочей зоны скорость вращения компрессорного колеса позволяет нагнетать в цилиндры большее количество воздуха, что ощущается прибавкой в крутящем моменте;
• зона оверспина (от англ. over—spinning– избыточное вращение). Устройство турбокомпрессора предполагает зоны эффективности. Конструкция двигателя также рассчитывается на определенную величину наддува. Если скорость потока выхлопных газов превысит зону оптимальной эффективности и расчетную величину наддува, дальнейшее использование турбонаддува только снизит КПД двигателя. Также превышение расчетной скорости вращения крыльчатки ведет к срыву потока воздуха. Поэтому устройство большинства турбин предполагает наличие клапана Последний на определенных оборотах двигателя пускает поток выхлопных газов в обход турбинного колеса.

Устройство турбины с фиксированной геометрией – это всегда компромисс между скоростью выхода в зону эффективности, величиной наддува и границей пиковой мощности. На эти параметры влияет диаметр каналов для движения газов, соотношение площади индюсера и эксдюсера, Area/Radius хаузинга, конструкция клапана wastegate, blow-off. Но из-за того, что характеристики турбины закладываются еще на стадии проектирования, ее рабочая зона довольно узкая.

Преимущества

• Активное изменение сечения канала «горячей» части турбины позволяет расширить зону ее эффективной работы. Авто с изменяемой геометрией турбонаддува могут выдавать большую мощность уже с самих низких оборотов.

• Уменьшенный подпор выходу выхлопных газов на высоких оборотах. Из-за отсутствующего клапана wastegate в «горячей» части уменьшается количество разнонаправленных потоков газов, что улучшает прохождение газов через турбину.
• Улучшение эластичности двигателя.
• Снижение расхода топлива и количества вредных выбросов в атмосферу.

Возможные неисправности

Усложнение конструкции турбины неминуемо приводит к увеличению риска поломки. Но в случае с работой изменяемой геометрии ситуация не так плоха, как может показаться. У механизма лишь несколько основных проблем:

• движение лопаток с подклиниванием. Происходит из-за критического износа трущихся пар и при нагарообразовании. Углеродистые и масляные отложения препятствуют плавному перемещению регулировочного кольца;
• заклинивание лопаток в одном из положений. Из-за критического нагарообразования силы вакуума недостаточно для перемещения регулировочного кольца;
• неисправность вакуумного привода поворотных лопаток, клапана управления давлением турбонаддува.

Среди основных симптомов поломки – подергивания при разгоне, потеря мощности двигателя, увеличение расхода топлива и появление на панели приборов индикации Check Engine.

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.

Содержание

Конструкция

ТИГ отличаются от классических турбокомпрессоров наличием кольца из специальных лопастей. Лопасти имеют особую аэродинамическую форму, повышающую эффективность наддува [2] . В маломощных двигателях (легковые автомобили, гоночные автомобили и малотоннажные грузовики) сечение регулируется через изменение ориентации этих лопастей.

В двигателях высокой мощности лопасти не вращаются, а покрываются специальным кожухом либо перемещаются вдоль оси камеры (ТИГ со скользящими лопастями).

Движение лопастей осуществляется с помощью мембранного вакуумного привода, сервопривода, гидравлического либо пневматического привода.

Имеется несколько модификаций конструкции ТИГ. В частности, некоторые из них имеют своей целью уменьшение эффективности турбокомпрессора при заданных условиях. К примеру, в ущерб эффективности может быть повышена рабочая температура — для более полного сгорания топлива.

Производство

Только небольшое число стран имеет собственные производства турбокомпрессоров с изменяемой геометрией.

Турбокомпрессоры с вращающимися лопастями производятся в США (BorgWarner, Honeywell), на Украине (Турбоком) и в Японии (Митсубиси). Этот тип ТИГ чаще всего используется в легковых автомобилях (в том числе гоночных), сельскохозяйственной технике и малотоннажных грузовиках.

Турбокомпрессоры со скользящими лопастями производятся только в Великобритании (Holset). Этот тип ТИГ чаще всего используется в большегрузных машинах и внедорожниках.

История

Одним из первых серийных автомобилей, оборудованных ТИГ, был Shelby CSX-VNT 1989 года с 2.2-литровым двигателем Chrysler K. Использовалась модель ТИГ «VNT-25» [3] .

В японской Honda Legend 1988 года использовался ТИГ с водным пред-охлаждением [3] . Автомобиль производился лишь в течение двух лет, после чего был снят с производства.

В 3.6-литровом двигателе Porsche 911 Turbo 2007 года использовались два идентичных ТИГ [2] .

В 2012 году появились ТИГ, оборудованные внутренними датчиками давления и температуры. Такие ТИГ динамически меняют сечение в соответствии с характеристиками рабочей среды в данный конкретный момент, что позволяет существенно снизить расход топлива.

Альтернативные названия

Турбокомпрессоры с изменяемой геометрией в англоязычных странах чаще всего называются «variable-geometry turbochargers» (VGT), но также используются и другие названия [1] :

• Variable-Nozzle Turbine (VNT)
• Variable-Area Turbine Nozzle (VATN)
• Variable-Turbine Geometry (VTG)
• Variable-Geometry Turbo (VGT)
• Variable-Vane Turbine (VVT)