Как работает турбокомпрессор с изменяемой геометрией: преимущества, неисправности и техническое обслуживание

Среди различных систем наддува двигателя существуют турбокомпрессоры с фиксированной или изменяемой геометрией, известные как VGT. В обоих случаях цель одна и та же: использовать инерцию выхлопных газов, чтобы подавать в цилиндры больше воздуха, чем двигатель способен всосать самостоятельно, повышая тем самым мощность.

Однако один из главных недостатков двигателей с обычными турбокомпрессорами заключается в том, что при работе на низких оборотах выхлопные газы не обладают достаточной силой, чтобы раскрутить турбину, сжимающую впускной воздух. Напротив, при высоких оборотах поток выхлопных газов становится настолько большим и так энергично вращает турбину, что требуется открытие перепускного клапана, и часть энергии выхлопных газов теряется впустую.

Именно эту проблему решают турбокомпрессоры с изменяемой геометрией, которые, как мы увидим, обладают большей способностью эффективно сжимать впускной воздух как на низких, так и на высоких оборотах.

Первые разработки турбокомпрессоров с изменяемой геометрией относятся к середине 50-х годов, однако первым серийным автомобилем, оснащённым такой технологией, стала Fiat Croma turbodiésel в начале 90-х годов с двигателем 1.9, который также был одним из первых дизелей с непосредственным впрыском. В настоящее время также разработаны решения, в которых для раскрутки турбины используются небольшие электродвигатели. Другие типы турбокомпрессоров, применяемые для улучшения отклика наддувных двигателей на низких оборотах, — это турбины Twin-Scroll.

Как работает турбина с изменяемой геометрией?

Отличие турбокомпрессора с фиксированной геометрией от изменяемой (VGT) состоит в том, что последний имеет механизм, позволяющий менять скорость набегания выхлопных газов на турбину, благодаря чему она раскручивается быстрее. Механизм не изменяет количество воздуха, а регулирует площадь его входного сечения.

Для этого используется система поворотных лопаток или направляющих лопаток, которые закрываются при работе двигателя на низких оборотах, ускоряя выхлопные газы, которые сильнее давят на турбину. При работе на высоких оборотах лопатки открываются, увеличивая входное сечение выхлопных газов, и скорость их потока снижается. Это позволяет достичь максимального давления наддува при более высоких оборотах двигателя.

Регулировка лопаток может осуществляться механической системой с использованием пневматического или вакуумного актуатора, однако в более современных двигателях обычно применяется небольшой электродвигатель, который управляется электронным блоком управления (ECU) двигателя.

Подробнее о работе турбокомпрессора с изменяемой геометрией можно посмотреть в этом видео:

https://www.youtube.com/watch?v=AuQor-YnbZ8

Какие преимущества даёт турбина с изменяемой геометрией?

Зная принцип работы турбокомпрессора с изменяемой геометрией, его преимущества очевидны:

• Уменьшают или устраняют «турбояму» или задержку отклика, характерную для турбированных двигателей при разгоне с низких оборотов.
• Оптимизируют работу системы наддува на всех режимах двигателя, обеспечивая более пологую кривую крутящего момента.
• Поскольку давление наддува регулируется поворотными лопатками, перепускной клапан или «waste gate» не требуется.
• Это более простое решение, чем последовательный сдвоенный турбонаддув. Тем не менее существуют высокопроизводительные двигатели с несколькими турбокомпрессорами, из которых как минимум один имеет изменяемую геометрию.
• Оптимизируя подачу крутящего момента, они улучшают динамику, а значит, также снижают расход и выбросы

Какие недостатки есть у турбины с изменяемой геометрией?

Поскольку это более сложный механизм с большим количеством подвижных деталей, турбокомпрессоры с изменяемой геометрией дороже обычных. По той же причине они также более подвержены поломкам.

Ещё один недостаток — сложность их применения в бензиновых двигателях, где более высокие температуры выхлопных газов требуют более сложных и дорогих разработок.

Porsche была одной из первых марок, использовавших турбокомпрессор с изменяемой геометрией в бензиновом двигателе, хотя сегодня такие решения можно встретить и в небольших двигателях как средство повышения эффективности, а не достижения высокой производительности. Недавний пример — гибридный двигатель 1.5 нового Alfa Romeo Tonale.

Техническое обслуживание, уход и неисправности турбин с изменяемой геометрией

Поскольку у них больше подвижных деталей, которые к тому же подвергаются высоким температурам и воздействию выхлопных газов, турбокомпрессоры с изменяемой геометрией чаще доставляют проблемы, чем турбины с фиксированной геометрией.

Наиболее частая неисправность — заклинивание системы поворотных лопаток. Проблема в том, что турбина с изменяемой геометрией перестаёт работать как турбина с фиксированной геометрией: заблокированные лопатки позволяют двигателю нормально работать лишь в определённом диапазоне оборотов. Симптомы — явная потеря мощности и, как следствие, рост расхода топлива. В таких случаях также часто ощущаются рывки в подаче мощности или мёртвые зоны, в которых двигатель, кажется, не тянет.

Как и в случае с датчиками массового расхода воздуха, клапанами EGR и сажевыми фильтрами, одна из основных причин заклинивания турбины с изменяемой геометрией — езда преимущественно по городу или работа двигателя постоянно на очень низких оборотах, когда сгорание образует больше нагара.

Лучший способ избежать неисправностей турбокомпрессора с изменяемой геометрией — поэтому не ограничивать езду городскими маршрутами, время от времени выезжая на трассу и заставляя двигатель работать и на средних или высоких оборотах. Разумеется, также обязательно использовать подходящее моторное масло и соблюдать интервалы технического обслуживания.