для чего нужна турбина в дизельном двигателе
Особенности работы турбины на дизеле
Дизель, оснащенный турбонагнетателем, — современный стандарт, характерный как для легковых, так и для тяжелых коммерческих автомобилей. «Атмосферники» в наши дни становятся все большей редкостью. Однако до сих пор многие водители задаются вопросом, правильно ли они эксплуатируют турбодизель. Чтобы соблюдать основные правила использования техники, необходимо понимать, как она работает. В чем же особенности работы турбины на дизеле?
Турбокомпрессор дизельного двигателя конструктивно не отличается от своих бензиновых собратьев. Это все те же крыльчатки турбины и компрессора, посаженные на один вал. Вал устанавливается в корпусе подшипников, к которому присоединяются «улитки» компрессора и турбины. Вал и роторы в рабочем режиме вращаются с чрезвычайно высокой скоростью (до 160 000 об/мин), и обычный подшипник качения никогда не справится с такой нагрузкой. Поэтому вал установлен в корпусе на бронзовых подшипниках скольжения. Вал и втулки настолько обильно смазываются маслом под давлением (от маслосистемы двигателя), что вал вращается, фактически плавая в масляной подушке. При падении давления масла ниже необходимого минимума, смазка вала турбины резко ухудшается и начинается его стремительный износ, который может привести к выходу агрегата из строя.
Как мы знаем, дизель работает на более низких оборотах, чем бензиновый ДВС. В связи с этим на дизели устанавливаются турбины, начинающие развивать эффективное давление при сравнительно низких оборотах двигателя. Этим удается значительно уменьшить «турбояму» на дизельных моторах, но вместе с тем турбокомпрессор вынужден практически постоянно находиться в режиме высоких рабочих оборотов. Поэтому контроль за качеством смазки вала турбины (за нормальным давлением в маслосистеме даже на низких оборотах) должен быть важным элементом обслуживания дизельного автомобиля.
По этой же причине (работа дизельной турбины даже на низких оборотах) не стоит долгое время подвергать двигатель работе на холостом ходу. Продолжительная (более 20–30 минут) работа турбины при низком давлении масла может привести к ее преждевременному износу.
Другой особенностью работы турбины на дизеле является высокое содержание сажи в неочищенных выхлопных газах двигателя, которые вращают крыльчатку турбины. Учитывая то, что уплотнения масляного контура турбины не на 100 % герметичны, некоторая часть сажи постепенно «просачивается» сквозь сальники и упорные подшипники, быстро придавая маслу турбодизеля характерный черный цвет. Это ведет к более быстрой потере маслом своих свойств, поэтому интервал замены масла на турбодизеле должен быть короче, чем на бензиновых двигателях и атмосферных дизелях.
Плохая смазка, как мы уже говорили, может привести к износу вала турбокомпрессора. Этот износ особенно опасен именно на дизельном двигателе. Увеличившиеся зазоры приводят к тому, что масло из компрессора попадает во впускной тракт и накапливается в интеркулере. Дальнейшее накопление масла во впуске приведет к тому, что рано или поздно это масло начнет в большом количестве попадать во впускной коллектор и цилиндры. А сгорание большого количества масла в цилиндрах может привести к уходу двигателя в разнос.
Турбокомпрессор является высокоточным и нагруженным узлом, требующим внимания водителя. Только правильная эксплуатация и своевременное обслуживание турбодизеля могут быть залогом долгой и безотказной работы двигателя и турбины.
Что такое турбонаддув
Такая вот небольшая с виду «улитка» — один из самых действенных способов увеличить мощность двигателя.
Несомненно, каждый из нас хоть раз в жизни замечал на обычном с виду автомобиле шильдик «turbo». Производители, как нарочно, делают эти шильдики небольшого размера и размещают в неприметных местах так, что непосвящённый прохожий не заметит и пройдёт мимо. А понимающий человек непременно остановится и заинтересуется автомобилем. Ниже приводится рассказ о причинах такого поведения.
Автомобильные конструкторы (с момента появления на свете этой профессии) постоянно озабочены проблемой повышения мощности моторов. Законы физики гласят, что мощность двигателя напрямую зависит от количества сжигаемого топлива за один рабочий цикл. Чем больше топлива мы сжигаем, тем больше мощность. И, скажем, захотелось нам увеличить «поголовье лошадей» под капотом — как это сделать? нас и поджидают проблемы.
Дело в том, что для горения топлива необходим кислород. Так что в цилиндрах сгорает не топливо, а топливно-воздушная смесь. Мешать топливо с воздухом нужно не на глазок, а в определённом соотношении. К примеру, для бензиновых двигателей на одну часть топлива полагается частей воздуха — в зависимости от режима работы, состава горючего и прочих факторов.
Как мы видим, воздуха требуется весьма много. Если мы увеличим подачу топлива (это не проблема), нам также придётся значительно увеличить и подачу воздуха. Обычные двигатели засасывают его самостоятельно разницы давлений в цилиндре и в атмосфере. Зависимость получается прямая — чем больше объём цилиндра, тем больше кислорода в него попадёт на каждом цикле. Так и поступали американцы, выпуская огромные двигатели с умопомрачительным расходом горючего. А есть ли способ загнать в тот же объём больше воздуха?
Есть, и впервые придумал его господин Готтлиб Вильгельм Даймлер (Gottlieb Wilhelm Daimler). Знакомая фамилия? Ещё бы, именно она используется в названии DaimlerChrysler. Так вот, этот немец весьма неплохо соображал в моторах и ещё в 1885 году придумал, как загнать в них больше воздуха. Он догадался закачивать воздух в цилиндры с помощью нагнетателя, представлявшего собой вентилятор (компрессор), который получал вращение непосредственно от вала двигателя и загонял в цилиндры сжатый воздух.
Швейцарский инженер-изобретатель Альфред Бюхи (Alfred J. Büchi) пошёл ещё дальше. Он заведовал разработкой дизельных двигателей в компании Sulzer Brothers, и ему категорически не нравилось, что моторы были большими и тяжёлыми, а мощности развивали мало. Отнимать энергию у «движка», чтобы вращать приводной компрессор, ему также не хотелось. Поэтому в 1905 году господин Бюхи запатентовал первое в мире устройство нагнетания, которое использовало в качестве движителя энергию выхлопных газов. Проще говоря, он придумал турбонаддув.
Идея умного швейцарца проста, как всё гениальное. Как ветра вращают крылья мельницы, также и отработавшие газы крутят колесо с лопатками. Разница только в том, что колесо это очень маленькое, а лопаток очень много. Колесо с лопатками называется ротором турбины и посажено на один вал с колесом компрессора. Так что условно турбонагнетатель можно разделить на две части — ротор и компрессор. Ротор получает вращение от выхлопных газов, а соединённый с ним компрессор, работая в качестве «вентилятора», нагнетает дополнительный воздух в цилиндры. Вся эта мудрёная конструкция и называется турбокомпрессор (от латинских слов turbo — вихрь и compressio — сжатие) или турбонагнетатель.
В турбомоторе воздух, который попадает в цилиндры, часто приходится дополнительно охлаждать — тогда его давление можно будет сделать выше, загнав в цилиндр больше кислорода. Ведь сжать холодный воздух (уже в цилиндре ДВС) легче, чем горячий.
Воздух, проходящий через турбину, нагревается от сжатия, а также от деталей турбонаддува, разогретого выхлопными газами. Подаваемый в двигатель воздух охлаждают при помощи так называемого интеркулера (промежуточный охладитель). Это радиатор, установленный на пути воздуха от компрессора к цилиндрам мотора. Проходя через него, он отдаёт своё тепло атмосфере. А холодный воздух более плотный — значит, его можно загнать в цилиндр ещё больше.
Чем больше выхлопных газов попадает в турбину, тем быстрее она вращается и тем больше дополнительного воздуха поступает в цилиндры, тем выше мощность. Эффективность этого решения по сравнению, например, с приводным нагнетателем в том, что на «самообслуживание» наддува тратится совсем немного энергии двигателя — всего 1,5%. Дело в том, что ротор турбины получает энергию от выхлопных газов не за счёт их замедления, а за счёт их охлаждения — после турбины выхлопные газы идут быстро, но более холодные. Кроме того, затрачиваемая на сжатие воздуха даровая энергия повышает КПД двигателя. Да и возможность снять с меньшего рабочего объёма большую мощность означает меньшие потери на трение, меньший вес двигателя (и машины в целом). Всё это делает автомобили с турбонаддувом более экономичными в сравнении с их атмосферными собратьями равной мощности. Казалось бы, вот оно, счастье. Ан нет, не всё так просто. Проблемы только начались.
По этим причинам турбонаддув получил широкое распространение только во время Второй мировой войны, да и то только в авиации. В годах американская компания Caterpillar сумела приспособить его к своим тракторам, а умельцы из Cummins сконструировали первые турбодизели для своих грузовиков. На серийных легковых машинах турбомоторы появились и того позже. Случилось это в 1962 году, когда почти одновременно увидели свет Oldsmobile Jetfire и Chevrolet Corvair Monza.
Но сложность и дороговизна конструкции — не единственные недостатки. Дело в том, что эффективность работы турбины сильно зависит от оборотов двигателя. На малых оборотах выхлопных газов немного, ротор раскрутился слабо, и компрессор почти не задувает в цилиндры дополнительный воздух. Поэтому бывает, что до трёх тысяч оборотов в минуту мотор совсем не тянет, и только потом, тысяч после четырёх-пяти, «выстреливает». Эта ложка дёгтя называется турбоямой. Причём чем больше турбина, тем она дольше будет раскручиваться. Поэтому моторы с очень высокой удельной мощностью и турбинами высокого давления, как правило, страдают турбоямой в первую очередь. А вот у турбин, создающих низкое давление, никаких провалов тяги почти нет, но и мощность они поднимают не очень сильно.
Почти избавиться от турбоямы помогает схема с последовательным наддувом, когда на малых оборотах двигателя работает небольшой малоинерционный турбокомпрессор, увеличивая тягу на «низах», а второй, побольше, включается на высоких оборотах с ростом давления на выпуске. В прошлом веке последовательный наддув использовался на суперкаре Porsche 959, а сегодня по такой схеме устроены, например, турбодизели фирм BMW и Land Rover. В бензиновых двигателях Volkswagen роль маленького «заводилы» играет приводной нагнетатель.
На рядных двигателях зачастую используется одиночный турбокомпрессор (пара «улиток») с двойным рабочим аппаратом. Каждая из «улиток» наполняется выхлопными газами от разных групп цилиндров. Но при этом обе подают газы на одну турбину, эффективно раскручивая её и на малых, и на больших оборотах
Но чаще по-прежнему встречается пара одинаковых турбокомпрессоров, параллельно обслуживающих отдельные группы цилиндров. Типичная схема для турбомоторов, где у каждого блока свой нагнетатель. Хотя двигатель V8 фирмы M GmbH, дебютировавший на автомобилях BMW X5 M и X6 M, оснащён перекрёстным выпускным коллектором, который позволяет компрессору получать выхлопные газы из цилиндров разных блоков, работающих в противофазе.
Заставить турбокомпрессор работать эффективнее во всём диапазоне оборотов, можно ещё изменяя геометрию рабочей части. В зависимости от оборотов внутри «улитки» поворачиваются специальные лопатки и варьируется форма сопла. В результате получается «супертурбина», хорошо работающая во всём диапазоне оборотов. Идеи эти витали в воздухе не один десяток лет, но реализовать их удалось относительно недавно. Причём сначала турбины с изменяемой геометрией появились на дизельных двигателях, благо, температура газов там значительно меньше. А из бензиновых автомобилей первый примерил такую турбину Porsche 911 Turbo.
Конструкцию турбомоторов довели до ума уже давно, а в последнее время их популярность резко возросла. Причём турбокомпрессоры оказалось перспективным не только в смысле форсирования моторов, но и с точки зрения повышения экономичности и чистоты выхлопа. Особенно актуально это для дизельных двигателей. Редкий дизель сегодня не несёт приставки «турбо». Ну а установка турбины на бензиновые моторы позволяет превратить обычный с виду автомобиль в настоящую «зажигалку». Ту самую, с маленьким, едва заметным шильдиком «turbo».
Принцип работы турбины на дизельном двигателе
Турбонаддув обязан свои появлением пресловутой немецкой рачительности и практичности во всём. Ещё Рудольфу Дизелю и Готлибу Даймлеру, в конце XIX века, не давал покоя такой вопрос. Как же так: выхлопные газы просто так выбрасываются в трубу, а энергия, которой они обладают, не приносит никакой пользы? Непорядок… В веке двадцать первом, двигатели, оснащённые турбиной, давно перестали быть экзотикой и используются повсеместно, на самой разной технике. Почему турбины получили распространение прежде всего на дизельных двигателях и каков принцип работы этих полезных агрегатов, разберём далее – в строго научно-популярной, но наглядной и понятной каждому форме.
Об истории изобретения и внедрения турбонаддува
Итак, идея «пустить в дело» энергию отработанных выхлопных газов появилась уже вскоре после изобретения и успешных опытов применения двигателей внутреннего сгорания. Немецкие инженеры и первопроходцы автомобиле- и тракторостроения, во главе с Дизелем и Даймлером, провели первые опыты по повышению мощности двигателя и снижению расхода топлива с помощью нагнетания сжатого воздуха от выхлопов.
Готдиб Даймлер выпускал вот такие автомобили, а уже задумывался о внедрении системы турбонаддува
Но первым, кто построил первый эффективно работающий турбокомпрессор, стали не они, а другой инженер – Альфред Бюхи. В 1911 году он получил патент на своё изобретение. Первые турбины были таковы, что использовать их было возможно и целесообразно только на крупных двигателях (например, судовых).
Далее турбокомпрессоры начали использоваться в авиационной промышленности. Начиная с 30-х годов ХХ века, в Соединённых Штатах регулярно запускались в «серию» военные самолёты (как истребители, так и бомбардировщики), бензиновые двигатели которых были оснащены турбонагнетателями. А первая в истории грузовая автомашина с турбированным дизельным мотором была сделана в 1938 году.
В 60-е годы корпорация «Дженерал Моторс» выпустила первые легковые «Шевроле» и «Олдсмобили» с бензиновыми карбюраторными двигателями, оснащёнными турбонаддувом. Надежность тех турбин была невелика, и они быстро исчезли с рынка.
Oldsmobile Jetfire 1962 года – первый серийный автомобиль с турбонаддувом
Мода на турбированные моторы вернулась на рубеже 70-х/80-х, когда турбонаддув начали широко использовать в создании спортивных и гоночных автомобилей. Приставка «турбо» стала чрезвычайно популярной и превратилась в своеобразный лейбл. В голливудских фильмах тех лет супергерои нажимали на панелях своих суперкаров «магические» кнопки «турбо», и машина уносилась вдаль. В реальной же действительности турбокомпрессоры тех лет ощутимо «тормозили», выдавая существенную задержку реакции. И, кстати, не только не способствовали экономии топлива, а наоборот, увеличивали его расход.
Труженик советских полей – трактор К-701 «Кировец» с турбонаддувом
Первые действительно успешные попытки внедрения турбонаддува в производство автомобильных двигателей серийного производства осуществили в начале 80-х годов «SAAB» и «Mercedes». Этим передовым опытом не замедлили воспользоваться и другие мировые машиностроительные компании.
Почему в итоге турбины получили распространение именно на дизельных, а не бензиновых двигателях? Потому что дизельные моторы имеют гораздо большую степень сжатия воздуха, а их выхлопные газы – более низкую температуру. Соответственно, требования к жаропрочности турбины гораздо меньше, а её стоимость и эффективность использования – гораздо больше.
Устройство системы турбонаддува
Система турбонаддува состоит из двух частей: из турбины и турбокомпрессора. Турбина служит для преобразования энергии отработанных газов, а компрессор – непосредственно для подачи многократно сжатого атмосферного воздуха в рабочие полости цилиндров. Главные детали системы – два лопастных колеса, турбинное и компрессорное (так называемые «крыльчатки»). Турбокомпрессор представляет собой технологичный насос для воздуха, приводимый в действие вращением ротора турбины. Единственная его задача – нагнетание сжатого воздуха в цилиндры под давлением.
Составные части устройства турбонаддува:
Основа системы турбонаддува – это ротор, закреплённый на специальной оси и заключённый в особый жаропрочный корпус. Беспрерывный контакт всех составных частей турбины с чрезвычайно раскалёнными газами определяет необходимость создания как ротора, так и корпуса турбины из специальных жаропрочных металлосплавов.
Крыльчатка и ось турбины вращаются с очень высокой частотой и в противоположных направлениях. Это обеспечивает плотный прижим одного элемента к другому. Поток отработанных газов проникает вначале в выпускной коллектор, откуда попадает в специальный канал, что расположен в корпусе турбо-нагнетателя. Форма его корпуса напоминает панцирь улитки. После прохождения этой «улитки» отработанные газы с разгоном подаются на ротор. Так и обеспечивается поступательное вращение турбины.
Ось турбонагнетателя закреплена на специальных подшипниках скольжения; смазка осуществляется подачей масла из системы смазки моторного отсека. Уплотнительные кольца и прокладки препятствуют утечкам масла, а также прорывам воздуха и отработанных газов, а также их смешиванию. Конечно, полностью исключить попадание выхлопа в сжатый атмосферный воздух не удаётся, но в этом и нет большой необходимости…
Как работает турбина дизельного двигателя
Мощность любого двигателя и производительность его работы зависит от целого ряда причин. А именно: от рабочего объёма цилиндров, от количества подаваемой воздушно-топливной смеси, от эффективности её сгорания, а также от энергетической части топлива. Мощность двигателя возрастает пропорционально росту количества сжигаемого в нём за определённую единицу времени горючего. Но для ускорения сгорания топлива необходимо увеличение запаса сжатого воздуха в рабочих полостях мотора.
То есть, чем больше за единицу времени сжигается горючего, тем большее количество воздуха потребуется «впихнуть» в мотор (не очень красивое слово «впихнуть» здесь, тем не менее, очень хорошо подходит, поскольку сам мотор не справится с забором избыточного количества сжатого воздуха, и фильтры нулевого сопротивления в этом ему не помогут).
В этом, повторимся, и состоит основное назначение турбонаддува – в наращивании подачи воздушно-топливной смеси в камеры сгорания. Это обеспечивается нагнетанием сжатого воздуха в цилиндры, которое происходит под постоянным давлением. Оно происходит вследствие преобразования энергии отработанных газов, проще говоря, из бросовой и утерянной – в полезную. Для этого, прежде чем выхлопные газы должны быть выведены в выхлопную трубу, а далее и, соответственно, в атмосферу, их поток направляется через систему турбокомпрессора.
Этот процесс обеспечивает раскручивание колеса турбины («крыльчатки»), снабжённого специальными лопастями, до 100-150ти тысяч оборотов в минуту. На одном валу с крыльчаткой закреплены и лопасти компрессора, которые нагнетают сжатый воздух в цилиндры двигателя. Полученная от преобразования энергии выхлопных газов сила используется для значительного увеличения давления воздуха. Благодаря чему и появляется возможность впрыскивания в рабочие полости цилиндров гораздо большего количества топлива за фиксированное время. Это даёт значительное увеличение как мощности, так и КПД дизеля.
Дизельная турбина в разрезе
Проще говоря, турбосистема содержит две лопастных «крыльчатки», закреплённых на одном общем валу. Но находящихся при этом в отдельных камерах, герметично отделённых друг от друга. Одна из крыльчаток вынуждена вращаться от постоянно поступающих на её лопасти выхлопных газов двигателя. Поскольку вторая крыльчатка с нею жёстко связана, то и она также начинает вращаться, захватывая при этом атмосферный воздух и подавая его в сжатом виде в цилиндры двигателя.
Необходимые дополнения в состав системы турбонаддува: клапаны, интеркулер
Не один десяток лет потребовался инженерам, чтобы создать действительно эффективно работающий турбокомпрессор. Ведь это только в теории всё выглядит гладко: от преобразования энергии отработанных газов можно «вернуть» утерянный процент КПД и значительно увеличить мощность двигателя (например, со ста до ста шестидесяти лошадиных сил). Но на практике подобного почему-то не получалось.
Кроме того, при резком нажатии на акселератор приходилось ждать увеличения оборотов мотора. Оно происходило только через некоторую паузу. Рост давления выхлопных газов, раскрутка турбины и загонку сжатого воздуха происходили не сразу, а постепенно. Данное явление, именуемое «turbolag» («турбояма») никак не удавалось укротить. А справиться с ним получилось, применив два дополнительных клапана: один – для перепускания излишнего воздуха в компрессор через трубопровод из двигательного коллектора. А другой клапан – для отработанных газов. Да и в целом, современные турбины с изменяемой геометрией лопаток даже своей формой уже значительно отличаются от классических турбин второй половины ХХ века.
Дизельный турбокомпрессор «Бош»
Другая проблема, которую пришлось решать при развитии технологий дизельных турбин, состояла в избыточной детонации. Детонация эта возникала из-за резкого увеличения температуры в рабочих полостях цилиндров при нагнетании туда дополнительных масс сжатого воздуха, особенно на завершающей стадии такта. Решать данную проблему в системе призван промежуточный охладитель наддувочного воздуха (интеркулер).
Кроме того, современная система турбонаддува двигателя не обходится без:
Применение турбонаддува в мировом машиностроении
На дворе двадцать первый век, и никто уже не гонится за тем, чтобы название его легкового автомобиля было с модной в веке ХХ-м приставкой «турбо». Никто и не верит более в «магическую силу турбины» для резкого ускорения автомобиля. Смысл применения и эффективность работы системы турбонаддува всё-таки не в этом.
Разумеется, наиболее эффективен турбонаддув при его использовании на двигателях тракторов и тяжёлых грузовиков. Он позволяет добавить мощности и крутящего момента без возникновения перерасхода топлива, что очень важно для экономических показателей эксплуатации техники. Там он и используется. Нашли своё широкое применение турбосистемы также на тепловозных и судовых дизелях. И это наиболее мощные из созданных человеком турбин для дизельного двигателя.
Разрушители легенд. Турбонаддув дизеля. Часть №1. Обзорно-болталогическая.
Для чего нужна турбина?
Для того чтобы ПОЛНОСТЬЮ сжечь 1кг горючего(любого углеводородного) нужно около 3,5 кг кислорода. Такое количество кислорода содержится в 15кг воздуха.
Соответственно мощность двигателя напрямую зависит от его «литража». Чем больше воздуха мы сможем загнать в камеру сгорания — тем больше топлива мы сможем спалить — тем больше энергии сможем получить на коленвалу.
Турбокомпрессор выполняет две функции. С одной стороны он позволяет напихать в камеру сгорания гораздо больше воздуха и получить с того же объёма двигателя гораздо больше мощности. С другой стороны — он утилизирует энергию выхлопных газов и реализует цикл с продолженным расширением, который увеличивает общий КПД двигателя.
Если сказать человеческим языком — то ЧАСТЬ работы по сжатию воздуха в турбодизеле перекладывается с поршневой на турбокомпрессор. Турбокомпрессор работает на энергии выхлопных газов(которые обычно просто выбрасываются в атмосферу) — соответственно непосредственно сам двигатель получает возможность больше мощности передавать на колёса.
МЕХАНИЧЕСКИЕ нагрузки на кривошипно-шатунный механизм при турбировании ДИЗЕЛЯ возрастают незначительно — это позволяет не сильно морочаться вопросами прочности и ресурса турбируемого атмосферника.
Казалось бы всё замечательно. НО!
Разработка современных двигателей уже давно пляшет от экологического законодательства, которое напрямую определяет режимы сгорания топлива в камере сгорания. На НОМИНАЛЬНОМ(не максимальном! это важно!) режиме работы двигателя в связке с турбиной процессы сгорания доводятся до некоего оптимума. При этом некоторые характеристики конструкции непосредственно самого турбодвигателя получаются заметно отличающимися от его атмосферного аналога. В первую очередь отличается степень сжатия — в цилиндры воздуха поступает больше за счёт турбокомпрессора, но поршнями этот воздух сжимается слабее — фактическое давление в конце такта сжатия практически одинаковое получается и у атмосферника и у турбодвигателя.
На НОМИНАЛЬНОМ РЕЖИМЕ турбокомпрессора.
Потому ничего там в турбодизеле лучше не сгорает. Сказки дедушки Ергена. Лучшее сгорание — больше окислов азота, а это недопустимо. Потому процессы сгорания одинаковы на НОМИНАЛЬНОМ РЕЖИМЕ и однозначно хуже у турбодизеля на всех остальных режимах. Почему?
Давайте посмотрим подробнее, что происходит с турбодизелем на ВСЕХ режимах его работы и насколько отличаются его характеристики от атмосферного дизеля.
В интернет-обзорах обычно втюхивают для сравнения два типа дизелей одинакового ОБЪЁМА. Мне не кажется такое сравнение корректным — это как сравнивать… трёхлитровый двигатель и… пятилитровый…
Я ни разу не встречал сравнения турбодизеля и атмодизеля с разницей в объёме ОБРАТНО-пропорциональной заявляемому с трепетом превосходству турбодизеля. И это неспроста.
Я потому и предлагаю сравнить три дизеля.
Они стары как говно мамонта, но до сих пор бодры и распространены.
Первый(2L) — атмосферный вихрекамерный дизель-прародитель.
Два других — форсированные потомки ОДИНАКОВОЙ МАКСИМАЛЬНОЙ МОЩНОСТИ.
НО!
Один(2LTE) — форсировали турбиной, а другой(5L) — простым наращиванием объёма:
2L… … …22:1…2446куб.см… 85лс 4000RPM…165Н/м 2400RPM…Атмо
2LTE… …21:1…2446куб.см… 97лс 4000RPM…221Н/м 2400RPM…Турбо
5L… … …22:1…2986куб.см… 97лс 4000RPM…192Н/м 2400RPM…Атмо
Эта линейка удобна тем, что это практически один и тот же агрегат до последнего болтика. Потомки 2L имеют одинаковую максимальную мощность и с точки зрения обычного автопотребителя это должны быть абсолютно равнозначные двигатели. Есть куча реальных водителей, попробовавших и то и другое во всех мыслимых и немыслимых режимах — они не дадут соврать. Нихрена это не равнозначные двигатели, хоть МАКСИМАЛЬНАЯ мощность у них и одинаковая.
Вот и давайте немного «поэксплуатируем» эти ДВА дизеля-потомка в реальных условиях:
1). Запуск и холостой ход.
Турбодизель отличается от атмосферного аналога двумя вещами — пониженной степенью сжатия и пониженным литражём. И первое и второе дополняется турбиной. НО! Только на НОМИНАЛЬНОМ РЕЖИМЕ! При работе на холостом ходу и сам турбонагнетатель и интеркулер(если есть) и гораздо более протяжённый впускной коллектор оказывают только лишнее сопротивление. При запуске(особенно на морозе) пониженная степень сжатия турбодизеля способствует худшим пусковым свойствам. Меньший литраж турбодизеля подразумевает несколько меньший расход топлива на холостом ходу — но за счёт меньшей степени сжатия и высоких насосных потерь во впускной системе реальный расход топлива редко отличается заметно.
Итог сравнения — паритет.
2). Режим низких нагрузок и низких оборотов.
Этот режим также характеризуется СОПРОТИВЛЕНИЕМ всего впускного тракта и РАЗРЯЖЕНИЕМ на впуске. Поскольку турбодизель имеет меньший литраж и степень сжатия — то мы имеем на этом режиме НАМНОГО(до 30%) МЕНЬШИЙ момент турбодизеля, чем у атмосферного аналога.
Итог сравнения — явный и несомненный проигрыш турбодизеля.
3). Режим средних нагрузок и оборотов.
Этот режим характеризуется выходом турбонагнетателя на рабочий режим — создание избыточного давления во впускном тракте. Но избыточное — это ещё не НОМИНАЛЬНОЕ. До тех пор, пока давление турбонагнетателя не приблизится к НОМИНАЛЬНОМУ — характеристики турбодизеля будут отставать от характеристик атмосферного аналога.
Из приятных новостей — турбина потихоньку начинает вступать в процесс утилизации энергии выхлопных газов и по мере роста создаваемого ей давления общий КПД двигателя стремительно растёт. Соответственно падает расход топлива по сравнению с атмосферным дизелем.
Итог сравнения — по мере приближения к номинальному режиму характеристики дизелей сближаются. Турбодизель всё так же обладает меньшей мощностью, но и потребляет чуть меньше топлива.
Есть ещё один фактор, который обычно выпускают из поля зрения подобных сравнений. Это инерционность турбонагнетателя. Приотпустив даже на мгновение педаль газа — мы не получим вновь прежнюю мощность от двигателя, пока турбонагнетатель опять не выйдет на режим. Турбояма на этом режиме очень досаждает.
Особенно на высокогорье.
И давайте не будем выпускать из виду то, что турбина и на этом режиме всё ещё толком не нужна — потребную мощность и в этом режиме вполне выдаёт и атмосферник.
4). Номинальный режим.
Именно на этом режиме проявляются все плюсы турбодизеля. К сожалению на дизеле с примитивным турбонагнетателем этот участок очень узкий — не более 500-700 оборотов. Именно в точке достижения номинального давления турбонагнетатель и обладает максимальным КПД. Потому и двигатель в этой ТОЧКЕ(для 2LTE это приблизительно 2400 оборотов) обладает максимальным превосходством перед атмосферным аналогом в плане расхода топлива. Турбонагнетатель с изменяемой геометрией имеет более широкую полку максимальной эффективности, но обычно она смещена в сторону низких оборотов.
Самый большой плюс — в районе НОМИНАЛЬНОГО режима МОМЕНТ турбодизеля заметно превосходит момент атмосферного аналога. Т.е. и МОЩНОСТЬ турбодизеля на ЭТОМ режиме будет ВЫШЕ мощности атмосферника.
Правда КОЭФФИЦИЕНТ ПРИСПОСОБЛЯЕМОСТИ у турбодизеля по моменту — меньше на 4%, а по оборотам — почти на 8%, соответственно турбодизель ещё хуже, чем даже атмосферный дизель(а уж тем более бензинка) подходит для транспортных средств.
Итог сравнения — явный выигрыш турбодизеля как в плане МОМЕНТА, так и в плане расхода. Отрыв определяется характеристиками турбонагнетателя. Правда «явный» выигрыш — это не значит «большой». Конкретно 2LTE имеет МАКСИМАЛЬНЫЙ момент на 13% больше, чем у 5L и на 25% больше, чем у 2L.
Давайте подумаем ещё на такую тему. Турбина обеспечивает около 25% момента турбодизелю. Пока владелец старого турбодизеля не нажал сильнее 3\4 хода газульки — ему турбина не нужна вообще! Этот момент выдаёт и атмосферник равного объёма. Преимущества турбодизеля должны явно проявляться только там, где владелец атмосферного дизеля едет с нажатой в пол педалью газа.
Современные турбодизеля с твинтурбо и эффективным интеркулером могут иметь момент на номинальном режиме в 1,5-2 РАЗА(!) выше чем у атмосферника. Но CommonReal здесь совершенно ни при чём — весь прирост тяги обуславливается исключительно турбонаддувом…
За счёт высокого количества выхлопных газов турбонагнетатель на ЭТОМ режиме «скисает» не сильно даже при полностью отпущенной педали газа и турбояма потому выражена слабо.
5). Сверхноминальный режим — режим близкий к максимальной мощности и максимальным оборотам.
По мере увеличения количества выхлопных газов — часть их начинает перепускаться в обход турбонагнетателя перепускным клапаном — соответственно всё бОльшая часть энергии выхлопных газов перестаёт утилизироваться.
Да и непосредственно сам турбокомпрессор(крайне нелинейный агрегат) стремительно теряет КПД. За счёт всё бОльшего сопротивления турбокомпрессора давление перед турбинным колесом стремительно нарастает — выхлопные газы уже не самостоятельно покидают цилиндр, а их бОльшую часть приходится выдавливать поршнем:
Продувка цилиндров стремительно ухудшается — всё больше отработанных газов остаётся в камере сгорания, количество кислорода снижается, горение затягивается, температура растёт. Получается некая аналогия системы ЕГР. Хоть сама система ЕГР и отключается на этих режимах — это помогает слабо. Турбодизель настолько стремительно теряет момент с ростом нагрузки и оборотов, что на оборотах максимальной мощности сравнивается с атмосферником.
Повышенное давление во впускном коллекторе перестаёт играть положительную роль ПОЛНОСТЬЮ. И даже хуже — затраты на создание этого давления никуда не деваются — потому турбодизель потребляет намного(чуть ли не в разы) больше топлива и потому намного сильнее греется, чем его атмосферный аналог. Шутка ли — у турбодизеля на впуске под 1 атмосферу избытка, у атмосферника на впуске — разрежение на уровне 0.2-0.3атм, а мощность вырабатывается ОДИНАКОВАЯ.
Если же сравнить максимальную мощность атмосферника и турбодизеля одинакового ОБЪЁМА — то выигрыш у турбодизеля всего 12%.
Итог сравнения — очередной провал турбодизеля.
Итак. Что мы имеем в сухом остатке?
Минусы:
БОльший вес и сложность турбодизеля.
Меньший моторесурс и надёжность. Повышенная требовательность к качеству смазочных материалов.
БОльший расход и склонность к перегреву под повышенной нагрузкой.
Высокая нелинейность и латентность мощностных характеристик.
Меньший коэффициент приспособляемости к нагрузке.
Плюсы:
На номинальном режиме турбодизель кушает чуть меньше топлива, при этом обладает небольшим запасом крутящего момента. Потому при необходимости может выдать до 15-20% момента больше, чем атмосферник ОДИНАКОВОЙ МАКСИМАЛЬНОЙ МОЩНОСТИ(и до 20-35% больше чем атмосферник ОДИНАКОВОГО ОБЪЁМА), правда уже при непропорционально бОльшем расходе топлива и тепловыделении.
Эта непропорциональность вызвана не только «насыщением» турбонагнетателя, но и неким «насыщением» топливной аппаратуры. Дизельная топливная аппаратура, как и всё в современном двигателе, заточена под НОМИНАЛЬНЫЙ режим и экологию. Потому впрыск дизельного топлива осуществляется настолько медленно, насколько это возможно. И точкой оптимизации является НОМИНАЛЬНЫЙ режим. Но после превышения номинального режима длительность впрыска(а в существующих ПЛУНЖЕРНЫХ топливных системах количество впрыскиваемого топлива определяется именно ВРЕМЕНЕМ впрыска) становится настолько продолжительной, что значительная часть топлива впрыскивается в камеру сгорания турбодизеля намного позже оптимального момента и больше греет двигатель, чем влияет на его мощность. Этого ПРИНЦИПИАЛЬНОГО недостатка как бы лишены топливные аппаратуры CommonRail, но в реальности двигателя с CommonRail должны соответствовать ещё более жёстким экологическим нормам и потому топливо впрыскивают ещё дольше для борьбы с образованием окислов азота…
При настолько затянутом впрыске выделяется херова туча сажи, которую улавливают сажевым фильтром. Выгорает эта сажа даже в присутствии катализаторов не на всех режимах, потому CommonRail осуществляет дополнительный подвпрыск топлива для поддержания высокой(до +600С) температуры выхлопа. Именно поэтому расход дизелей с CommonRail не настолько низок, как этого следовало бы ожидать…
Понюхайте на досуге какая вонь прёт с глушителя современного дизеля, если ему удалить катализатор.
Выхлоп старого дизелька покажется порывом свежего ветра…
Конечно, я мог бы сравнивать дизеля одинакового объёма. Тогда недостатки турбодизеля были бы заметно скромнее, а достоинства — выпяченнее. К сожалению жизнь показывает, что при всём прогрессе на замену 4,2 литровому 6-горшковому атмосфэрнику нам почему-то предлагают не 6,5 литрового V8 дизельного твинтурбо, а втюхивают 3-ёх литрового турбозадохлика…
У задохлика крутой нрав и высокая потенция высокий потенциал. «Но пушки есть пушки», как говаривал Рафаэль Саббатини… Объём есть объём и никакая турбина его не переплюнет. Особенно на автомобиле, предназначенном для движения в сложных дорожных условиях.
Потому следующие мои статьи будут посвящены тому — как сделать из задохлика(ZD30) человека.
Дома. На коленке.
Пока же я предлагаю в качестве домашнего задания сравнить аж целых пять реинкарнаций всеми нами любимого ZD30:
Первый(ZD30DD) — атмосферный прямовпрысковый дизель-прародитель:
ZD30DD…18,5:1…2953куб.см…105лс@3800RPM…230Nm@2000RPM
Второй(ZD30DDT) — турбо-вариант с VGT-турбиной
ZD30DDT…18:1…2953куб.см…148лс@3400RPM…314Nm@2000RPM
Третий(ZD30DDTi) — турбо-вариант с VGT-турбиной и интеркулером
ZD30DDTi…18:1…2953куб.см…170лс@3600RPM…353Nm@1800RPM
Четвёртый(ZD30 CR) — COMMON RAIL турбо-вариант с VGT-турбиной и интеркулером
ZD30 CR…18:1…2953куб.см…150лс@3400RPM…350Nm@1200-2800RPM
Пятый(ZD30 CR TTi) — COMMON RAIL TWIN-турбо-вариант c интеркулером
ZD30 CR TTi…18:1.2953куб.см…170лс@2600PRM…540Nm@1400-2200RPM
Очень наглядно прослеживается влияние турбины, интеркулера и COMMON RAIL.
Как видно по характеристикам — нулевой эффективностью обладает только COMMON RAIL.
VGT-турбина с интеркулером обеспечивают уже полуторократное(прогресс на месте не стоИт) преимущество в моменте над атмосферным прародителем.
Вероятно 4,5 литровый атмосферник ещё можно сделать сопоставимым по массе и размерам? Неважно…
Форсированный TWIN-турбо-вариант c интеркулером обладает моментом уже 540Nm(удвоенным по сравнению с атмосферником) начиная уже с 1200-1400 оборотов и таскает восьмитонник Nissan NT500:
Мне было бы очень интересно посмотреть на поршня этого TWIN-турбового ZD30 — они такие же облегчённые, как и на обычном ZD30? Если такие же — значит перегревается и разрушается обычный задохлик исключительно благодаря косякам в системе охлаждения…
Для конкуренции по максимальному моменту понадобится уже 7-ми литровый атмосферник…
Так что турбина — это бОльшая половина СОВРЕМЕННОГО дизеля и от этого факта никуда уже не деться.
Современный турбодизель с высоким наддувом(3-4 бар избытка) за счёт современных материалов и технологий выглядит намного более выигрышно, чем рассмотренные выше модели 90-ых и 2000-ых годов.
Всё чаще мне попадаются обзоры современных дизелей с объёмом уже около 2(!) литров и характеристиками 4-5-6 литровых старых дизелей. Догадайтесь с трёх раз — за счёт чего они все имеют заявленный крутящий момент?
Кому интересно — почитайте, например, про турбирование бензинок.
Или почитайте это про дизель.
Даже гадать отказываюсь — сколько они вдули в этот дизель, что степень сжатия пришлось снижать до 14…
Подобные статьи примечательны ещё и тем, что все теоретические выкладки в них — чистейший бред и откровенные подтасовки. Судя по всему — это теперь трэнд.
Самое интересное — как шарикомалят со степенью сжатия. Но про степень сжатия вплотную поговорим в другой раз.