До какой температуры нагревается турбина в двс
Обладатели турбомоторов часто задаются вопросом касательно необходимости охлаждения турбины перед тем, как заглушить мотор. Подобное охлаждение предполагает несколько минут работы ДВС на холостом ходу. Для получения точного ответа необходимо выяснить, в каких условиях работает турбокомпрессор двигателя. Отработавшие газы несут в себе большое количество полезной энергии, которая получена в результате сгорания топлива в цилиндрах. Перенаправление потока выхлопа на турбинное колесо позволяет реализовать эффективный привод для компрессора. Так удается получить нагнетание воздуха под давлением без отбора мощности у ДВС, что принципиально отличает турбокомпрессор от механического нагнетателя.
Турбонагнетатель является осью, на концах которой присутствуют колеса с лопатками. Выделяют турбинное и компрессорное колесо. Указанные колеса находятся в специальных корпусах. Нагнетатель ставится в выпускном тракте, так как турбинное колесо вращается от контакта с отработавшими газами. Такое вращение позволяет компрессорному колесу вращаться параллельно, засасывать и сжимать воздух для подачи в цилиндры двигателя.
Условия работы турбины
Температура выхлопных газов дизельного двигателя на выходе перед турбиной составляет в среднем 750-850 градусов по Цельсию. Бензиновые агрегаты имеют еще более разогретый выхлоп. Такие раскаленные газы движутся с большой скоростью и встречаются с турбинным колесом.
Турбокомпрессор отличается высокой производительностью и потребляет достаточно много энергии отработавших газов (в среднем около 25-30 кВт и более). Турбодизель с рабочим объемом 2.0 литра в режиме холостого хода потребляет около 800 литров воздуха за 60 секунд. В режиме максимальной мощности данный показатель доходит до 4 м3. Если учесть, что турбокомпрессор также нагнетает избыток давления до 1 атмосферы, тогда общий объем нагнетаемого устройством воздуха намного больше.
Во время работы ДВС на пиковых нагрузках турбинное колесо раскручивается до 150 тыс. об/мин и более, нагрев колеса достигает 800-900 градусов по Цельсию. После взаимодействия с турбинным колесом температура выхлопа заметно падает до средней отметки 400-500 градусов.
В режиме холостого хода отработавшие газы дизеля имеют температуру около 100 градусов по Цельсию и движутся с небольшой скоростью. Для эффективного вращения колеса турбины и параллельного вращения компрессорного колеса этой энергии достаточно только для того, чтобы турбокомпрессор не препятствовал проходу через него воздуха в объеме, который необходим для поддержания стабильной работы ДВС на холостых оборотах.
Охлаждение и смазка турбокомпрессора
Колесо турбины выполнено из специальной жаропрочной стали, компрессорное колесо изготавливают из сплавов алюминия. Разные материалы применяются для снижения инерционности турбины. Вал турбины (ось, стержень) закреплен и вращается в плавающих подшипниках скольжения. Также в некоторых турбокомпрессорах могут использоваться шариковые подшипники.
Для смазки подшипников турбокомпрессора реализован подвод моторного масла из системы смазки двигателя. Кроме снижения потерь на трение и препятствования износу трущихся элементов смазка турбины также выполняет важную функцию по отводу тепла из области трения.
В трущихся элементах турбины выделяется большое количество тепла. Сама ось нагнетателя нагревается от контакта с разогретым турбинным колесом, нагрев еще более усиливается в результате высокой частоты вращения и возникающего трения. Во время работы ДВС масло активно подается к подшипникам, охлаждая их. Если мотор сразу заглушить после серьезных нагрузок на двигатель, тогда нагретая ось остановится практически сразу после остановки двигателя. Подача масла к подшипникам сразу прекращается, а сам вал и подшипники усиленно нагреваются от раскаленного колеса турбины. Сильный нагрев приводит к тому, что масло в турбине начинает закоксовываться.
В момент последующего пуска турбомотора закоксовавшееся масло и отложения препятствуют нормальному доступу свежей смазки в первые секунды после запуска. Вполне очевидно, что присутствует сильный износ подшипников турбины. Для решения этой проблемы рекомендуется не сразу глушить мотор после езды, а дать силовому агрегату поработать на холостых оборотах от 2-х до 5-и минут. Температура выхлопа на холостом ходу упадет до 100 градусов Цельсия, интенсивность вращения турбины снизится. Этого времени будет достаточно для того, чтобы колесо турбины и ось успели охладиться до такой температуры, когда коксования масла не произойдет после остановки ДВС. Отсутствие кокса значительно продлевает ресурс турбины дизельного или бензинового двигателя.
Для эффективного охлаждения турбины после остановки двигателя и минимизации рисков перегрева используется автоматическое электронное устройство под названием турботаймер. Принцип работы данного решения упрощает процедуру охлаждения.
Водитель останавливает машину, вынимает ключ из замка зажигания и может сразу покинуть автомобиль. Двигатель продолжает работать еще несколько минут, после чего будет заглушен автоматически. Единственным неудобством можно считать то, что приходится постоянно пользоваться стояночным тормозом и следить за его исправностью, так как сразу поставить автомобиль на передачу при наличии МКПП нельзя.
Самая ломучая деталь турбомотора, как известно, – его турбина. Специалисты рассказали, что делают автопроизводители, чтобы продлить ей жизнь, и дали совет касательно охлаждения дорогостоящего элемента.
Глушить или не глушить турбомотор сразу после остановки? Этим вопросом задаётся каждый владелец авто с наддувным движком.
Прояснили ситуацию авторитетные эксперты “За рулём”.
О том, что глушить турбированный движок сразу после остановки нельзя, вы наверняка слышали или читали. Для турбины важно поработать некоторое время на холостом ходу – это позволяет остудить её компоненты. Вот только справедливо ли данное утверждение сегодня, в 2020 году?
Для начала нужно вспомнить, как устроена турбина. Вращают крыльчатку раскалённые выхлопные газы. Чем больше газов, температуры и давления, тем интенсивнее вращается ротор. Крыльчатка нагревается не только газами, но и трением в подшипниках. Во время движения турбина раскаляется довольно сильно, но самое страшное для неё происходит после остановки мотора – на заглушенном движке охлаждение этого элемента резко ухудшается. Не подаётся ни воздух, ни масло, которое также отводит часть тепла. В результате тепло идёт в подшипниковый узел, где под воздействием высокой температуры начинает коксоваться масло. Всё это приводит к разрушению уплотнений и появлению задиров.
Даже при наличии системы жидкостного охлаждения турбины она точно так же перегревается после остановки мотора: жидкость перестаёт циркулировать по системе. Как раз по этой причине и появилась рекомендация не глушить турбомотор сразу после остановки, а минуту-другую дать крыльчатке покрутиться в щадящем режиме. При этом масло и охлаждающая жидкость продолжают циркулировать и отводить тепло. Турбокомпрессор хотя бы немного, но остывает. А значит, его жизнь чуточку продлевается.
Склонность турбин к перегреву привела к появлению турботаймеров и циркуляционных насосов. Электронные примочки быстро нашли применение в продвинутых охранных системах – они сами, без участия водителя, охлаждали мотор на минимальных оборотах. При этом штатные, заводские турботаймеры, всегда устанавливались лишь на особо “злые” движки. В основном же автовладельцы заботились об их установке сами.
Что же изменилось на движках с турбиной сегодня? Конструкции новых моторов принципиальных отличий от своих более старых собратьев не имеют. Но проблему перегрева турбин многие производители хитроумно решили. Так, Porsche, Volkswagen, Skoda и Jaguar, к примеру, устанавливают на свои агрегаты электрические циркуляционные насосы. После остановки ДВС эти системы в случае необходимости какое-то время подают к турбокомпрессору охлаждающую жидкость. На большинстве современных авто реализован и специальный алгоритм работы электровентиляторов – когда движок уже выключен, вентилятор продолжает некоторое время охлаждать радиатор. При наличии таких помощников необходимость в турботаймере просто отпадает.
И всё же, в большинстве случаев о турбине по-прежнему должен думать сам автовладелец: в инструкциях прямым текстом говорится, что после эксплуатации автомобиля в режимах, близких к предельно допустимым, рекомендуется перед выключением мотора дать ему поработать без нагрузки в течение нескольких минут. Иными словами, турбины всё так же страдают от перегрева.
Свою теорию специалисты подтверждают одним любопытным фактом: в 2019 году из 25 самых продаваемых у нас моделей турбокомпрессорами оснащались только пять. Дополнительный электрический насос, охлаждающий турбокомпрессор, и вовсе применяется на трёх моделях – Skoda Kodiaq, Skoda Octavia A7 и VW Tiguan.
За последние пару десятилетий наддувные моторы (по крайней мере, представленные в нашей стране) по сути своей принципиально не изменились: в плане сохранности и ресурса турбины они ничем не отличаются от своих предков. Вся забота о важном компоненте точно так же перекладывается производителем на автовладельца.
Если ваш мотор не оснащён электрическим насосом, прокачивающим антифриз после остановки, стоит позаботиться об установке турбо-таймера или выполнять его функции самостоятельно – по-старинке охлаждать турбину работой мотора на холостом ходу.
Двигатели с наддувом нельзя глушить сразу — им надо дать поработать минуту-другую на минимальных оборотах холостого хода, чтобы остыл турбокомпрессор. Это утверждение пришло из конца прошлого века. Справедливо ли оно сегодня? Нет! Если, конечно, производитель не сэкономил, а такие примеры тоже есть.
Почему возможен перегрев
Источником энергии турбокомпрессора являются раскаленные выхлопные газы ДВС: чем выше их температура и давление, тем интенсивнее крутится ротор турбокомпрессора. Турбокомпрессор нагревается по трем причинам: от горячих газов, поступающих в турбинную часть, от сжатия воздуха в компрессоре и от трения в подшипниках. Максимальный нагрев происходит при работе двигателя на пике мощности. Это проявляется при движении на высоких скоростях по магистрали. Одно из самых провокационных мест — бензоколонка на скоростной магистрали. Всего несколько десятков метров от трассы — и мотор надо глушить.
Другая возможность сильно нагреть турбокомпрессор — это езда в тяжелых условиях: по бездорожью и т. п. Максимальную мощность мотор при этом не разовьет, поскольку колеса сорвутся в пробуксовку. Однако отсутствие встречного воздушного потока способствует росту температуры двигателя, а заодно и турбокомпрессора. Перегрев возможен и при движении в горах с большим количеством подъемов, а также с прицепом.
Но пик неприятностей наступает не во время работы, а потом! После остановки двигателя охлаждение раскаленного турбокомпрессора резко ухудшается. Масло уже не подается, тепло уходит в подшипниковый узел, остатки смазки в подшипнике и его уплотнениях начинают закоксовываться. Со временем это приводит к ухудшению уплотнения и нарушению расчетного режима работы подшипника. А вращение ротора без подачи масла под давлением провоцирует появление задиров.
Системы жидкостного охлаждения турбокомпрессора также прекращали работу после остановки мотора и, соответственно, не отводили тепло от агрегата наддува. Поэтому и появились рекомендации не глушить моторы сразу, а дать им поработать какое-то время на минимальных оборотах холостого хода. Масло и охлаждающая жидкость при этом будут циркулировать, температура выпускных газов, поступающих в турбинную часть, понизится — в итоге турбокомпрессор остывает, а затем мотор можно безбоязненно глушить.
Турбокомпрессор с «рубашкой» охлаждения: 1. Корпус компрессора 2. Подшипниковый узел 3. Колесо компрессора; 4. Пневмокамера управления давлением наддува 5. Корпус подшипников 6. Подвод охлаждающей жидкости 7. Клапан регулировки давления наддува 8. Корпус турбины 9. Колесо турбины 10. Отвод охлаждающей жидкости.
Турбокомпрессор с «рубашкой» охлаждения: 1. Корпус компрессора 2. Подшипниковый узел 3. Колесо компрессора; 4. Пневмокамера управления давлением наддува 5. Корпус подшипников 6. Подвод охлаждающей жидкости 7. Клапан регулировки давления наддува 8. Корпус турбины 9. Колесо турбины 10. Отвод охлаждающей жидкости.
Турботаймер и циркуляционные насосы
Рекомендация тут же породила появление новых электронных примочек — турботаймеров. После поворота ключа зажигания двигатель будет пару-тройку минут работать на минимальных оборотах, чтобы охладить турбину и продлить срок ее службы. Одними из первых турботаймеры предложили разработчики охранных систем, добавив в сигнализацию новую функцию для владельцев автомобилей с турбонаддувом. Предложение стало пользоваться спросом, а потому появились отдельные электронные блоки, выполняющие функцию отложенного выключения двигателя.
Штатно же турботаймеры не устанавливают даже на автомобили с заряженными двигателями. И не потому, что проблема куда-то пропала — принципиально в ДВС ничего не поменялось. Да, изменились и стали более совершенными конструкции, материалы и смазки, но перегрева турбокомпрессоры по-прежнему не любят. Может, автопроизводители применяют иные средства защиты турбокомпрессоров от перегрева?
Некоторые компании (в частности, Porsche, Volkswagen, Skoda, Jaguar) на многие модели с турбонаддувом устанавливают электрические циркуляционные насосы, которые при необходимости подают к турбокомпрессору охлаждающую жидкость. В том числе и после остановки двигателя — антифриз некоторое время циркулирует через агрегат, препятствуя его перегреву. Напоминает аналогичный режим работы электровентиляторов системы охлаждения, реализованный на большинстве современных автомобилей. Мотор выключен, а вентилятор продолжает крутиться. Понятно, что в этом случае в турботаймере нет необходимости.
Многие автопроизводители перекладывают функцию интеллектуального турботаймера на водителя! В большинстве инструкций отмечено, что после эксплуатации автомобиля в режимах, близких к предельно допустимым, рекомендуется перед выключением мотора дать ему поработать без нагрузки в течение нескольких минут. То есть советы остались теми же, что и десятилетия назад.
В прошлом году из 25 самых продаваемых в России моделей турбокомпрессорами были оснащены пять. При этом дополнительный электрический насос, охлаждающий турбокомпрессор, используют в трех моделях — это Skoda Kodiaq, Skoda Octavia A7 и VW Tiguan. Выходит, большинство производителей сравнительно доступных автомобилей не заморачивается подобными проблемами. Логика проста: удорожания не происходит, а гарантийный срок автомобиль, скорее всего, и так выходит. Что дальше — забота владельца.
Не глушите мотор сразу — дайте ему поработать на минимальных оборотах. Условия работы турбокомпрессора — очень тяжелые, а новшеств, делающих его бессмертным, не появилось.
Наши рекомендации
Автопроизводители уверяют, что турбокомпрессоры сегодня не боятся перегрева. Например, компания Renault поясняет, почему бензиновый двигатель ТСе 150, установленный на Аркане, не нуждается в обязательном охлаждении турбины перед его выключением. Дескать, в ходе разработки эти моторы испытывали 40 000 часов на стендах, что соответствует 14 годам эксплуатации по 8 часов каждый день. Поэтому рекомендации «погонять на холостых» носят рекомендательный, а не обязательный характер.
Мы придерживаемся иного мнения. Условия работы турбокомпрессора — очень тяжелые, а принципиальных новшеств, делающих его бессмертным, пока не появилось. К тому же это недешевый агрегат: ремонт ударит по карману, когда гарантия закончится. И если ваш автомобиль не оборудован электрическим насосом, качающим охлаждающую жидкость после остановки, настоятельно рекомендуем выдерживать паузы в одну-две минуты, прежде чем глушить мотор, поработавший на пределе. Однако как понять, есть такой насос на вашей машине или нет? Например, на слух: после интенсивной езды остановить мотор и прислушаться, есть ли характерное жужжание. Но лучше перестраховаться, даже если автопроизводитель говорит, что проблем не будет.
Альтернативный комментарий специалиста
Денис Загарин, руководитель Центра испытаний НАМИ
Денис Загарин, руководитель Центра испытаний НАМИ
За 11 лет работы на полигоне я ни разу не встретил автомобиль с турбонаддувным двигателем, который был бы оснащен турботаймером в базовом оснащении. Видимо, производители считают, что при нормальной эксплуатации, применении качественных смазочных материалов и топлива, а также при правильном и своевременном выполнении ТО и ремонта проблем с турбокомпрессором не будет.
Агрегат наддува обладает достаточным ресурсом, и его охлаждение с рабочих и расчетных температур будет происходить за счет инерции. Запаса жаростойкости примененных материалов также хватит.
Многие автопроизводители используют в своих модельных линейках турбированные моторы. Эти силовые агрегаты очень экономичны, обладают высокой мощностью и доступны уже для массовых машин. Сейчас турбированные двигатели активно продаются и на вторичном рынке. Насколько они рассчитаны на работу в экстремальных условиях русской зимы и могут ли холода повредить их техническому состоянию?
Возможные проблемы
Турбонаддув во время работы разогревается до 1000 градусов. Горячий газ выхлопной системы проходит через «улитку» и раскручивает ее свыше десятка тысяч оборотов. Турбина греется, и очень важно в этом случае сохранить баланс рабочих температур. Поэтому в холода необходимо эксплуатировать турбину правильно.
Во время ночной стоянки на морозе турбина сильно охлаждается. Трущиеся части «улитки», валы, подшипники и прочие узлы изменяются в размерах вследствие температурного расширения. Кроме того, масло отстаивается за ночь и рабочие поверхности испытывают его дефицит. При холодном пуске нельзя сразу нагружать турбину из-за риска ее активного износа. В тот момент, когда обороты мотора поднимаются выше 2,5 тыс., турбина выходит на рабочие режимы и закачивает воздух в систему подготовки смеси. «Улитка» резко нагревается, и идет активное температурное расширение материалов деталей. За какие-то мгновения зазоры между трущимися поверхностями могут изменяться до нескольких микрон, из-за чего есть риск разрыва масляной пленки и повреждения рабочих поверхностей. Таким образом, даже после пары часов на морозе двигатель перед началом движения необходимо должным образом прогревать. Иначе турбине конец.
Первыми признаками погибающего турбонаддува являются несвойственные шумы, появляющиеся после запуска двигателя. Слышен посторонний гул или свист. Из выхлопной трубы при этом идет сизый дым, и наблюдается повышенный расход масла. Смазывающая жидкость проникает через люфты в стопорных кольцах и закачивается вместе с воздухом в выхлопную систему. После прогревания шумы и дым пропадают, однако мотор заметно теряет в приемистости. Турбина не может обеспечивать штатный уровень давления воздуха, отчего мощность двигателя падает.
Между тем даже при хорошо прогретом моторе повышенный расход масла продолжается. Масло проходит через образовавшийся люфт к зонам высоких температур, и на валах подшипников возникает нагар, который сначала дисбалансирует «улитку», а потом провоцирует постепенное разрушение подшипников и прочих деталей. И происходит это из-за неправильной езды на непрогретой машине в первые минуты после старта.
Как правильно ездить на моторе с турбиной?
После запуска турбодвигателя в морозы необходимо около пяти минут подождать, пока масло не прокачается насосом ко всем узлам и агрегатам. На холостых оборотах турбонаддув не активируется, а ждет, пока дефицит смазки будет побежден. После этого можно начинать движение, но только в щадящем режиме. Нельзя раскручивать мотор свыше 2,3-2,5 тыс. оборотов, за пределами которых активируется наддув. Иначе холодная турбина будет испытывать повышенные нагрузки из-за температурного дисбаланса. Прогревание мотора на ходу занимает около 15 минут. Только когда температура охлаждающей жидкости достигнет 90 градусов и из печки потянет горячий воздух, можно пришпорить автомобиль.
Остановка турбированного двигателя после активной езды тоже должна подчиняться нехитрому алгоритму действий. Перед выключением зажигания необходимо дать мотору поработать около двух минут на холостых оборотах, чтобы прокачиваемое через турбину масло успело охладить ее. Если этого не сделать и бросить раскаленную турбину остывать самостоятельно на морозе, то избыток тепла может вновь привести к неравномерному расширению деталей и даже к изменению структуры поверхностных слоев материала. Изменяется микрозернистость металла вала турбины, отчего она хуже держит. На поверхности вала образуются микротрещины и выщербины, которые впоследствии снижают ресурс технического узла.
Кроме того, застаивающееся после выключения зажигания масло коксуется в подшипниках и на металлических поверхностях с образованием твердой корки нагара, которая тоже снижает ресурс технического узла.
Надо ли охлаждать турбину после поездки
Еще одну вероятность перегрева турбомотора провоцирует езда по бездорожью. Здесь нет максимальных оборотов, но зато отсутствует встречный воздушный поток, работающий на охлаждение. Тот же самый риск возникает при езде в горах с множеством перепадов, а также при движении с прицепом.
Однако проблемы ждут двигатель не во время подобных нагрузок, а потом. После остановки мотора системы жидкостного охлаждения турбокомпрессора также перестают работать. Отсюда возникла рекомендация не глушить мотор сразу, а дать турбине немного остыть.
Есть и другие решения автопроизводителей. К примеру, на модели с турбомотором ставят циркуляционные насосы, которые при необходимости подают к компрессору охлаждающую жидкость даже после остановки двигателя. На современных авто есть также электровентиляторы системы охлаждения.
Впрочем, принципиально от этого ничего не изменилось: турбина лучше реагировать на перегрев не стала. Рекомендации экспертов «За рулем» однозначны: даже современным моделям с турбомоторами стоит дать поработать пару минут на минимальных оборотах перед тем, как заглушить совсем. Да, автопроизводители уверяют, что в обязательном охлаждении турбины многие модели вовсе не нуждаются. Однако принципиальных разработок, продлевающих режим работы турбокомпрессора, не появилось.
Этот агрегат недешевый, поэтому проверять, насколько эффективны охлаждающие «примочки», на своем автомобиле не стоит. Если у вас есть электрический насос, качающий жидкость для охлаждения после остановки двигателя, то тогда этой рекомендацией можно пренебречь. Однако лучше убедиться в его наличии заранее. И опять же никто не мешает перестраховаться даже в этом случае. Пара-тройка минут, как правило, в запасе есть.
Сколько нужно прогревать турбированный двигатель?
Турбированные двигатели можно встретить в современных авто все чаще, но, к сожалению, «культура» эксплуатации таких двигателей еще не слишком укоренилась среди автолюбителей. Возможно, это связано с отсутствием актуальной информации о том, как именно нужно использовать двигатель, оснащенный турбиной, таким образом, чтобы максимально продлить срок его эксплуатации.
Если следовать этим правилам всегда, вне зависимости от обстоятельств, то турбированный двигатель не потребует ремонта до 150 000-250 000 км. А это позволит, безусловно, владельцу авто сэкономить на ремонте и обслуживании.
Для чего нужно прогревать турбину?
Как мы уже говорили, перед тем как «стартануть» и поехать, специалисты рекомендуют несколько минут продлить турбированный двигатель. Для чего это нужно? Прежде всего, для того, чтобы масло приобрело оптимальную температуру и было «доставлено» ко всем узлам турбонаддува. Благодаря этому будет обеспечено максимально «комфортное» для турбины скольжение, даже на высокой скорости и при больших оборотах.
Если вы оставляете свое авто для стоянки на морозе, то на всех узлах турбины остается определенное количество машинного масла. При холодном пуске есть большой риск того, что некоторые узлы турбины могут быть повреждены из-за усиленного трения при недостаточной смазке. Такой подход может привести к преждевременному выходу турбонаддува из строя.
Сколько времени нужно маслу, чтобы нагреться?
Прогревать машину, по мнению экспертов Турбодэй, нужно по-разному, в зависимости от температуры окружающего воздуха:
Кроме того, не нужно сразу набирать полные обороты. Турбина может выдавать до 10 000 оборотов, но для оптимального старта будет достаточно 2-3 000 оборотов. В таком щадящем режиме рекомендуется перемещаться на протяжении 10-15 минут и тогда многих поломок турбированного двигателя удастся избежать.
Если при старте вы обнаружите нехарактерные звуки или из выхлопной трубы вашего автомобиля будет идти дым сизого или черного цвета – это повод как можно скорее обратиться к специалистам по ремонту турбин, пока агрегат еще можно спасти и отремонтировать.
Материалы рубрики «Промо» публикуются на правах рекламы.