Что такое турбояма и как ее убрать

Увеличение мощности дизеля с помощью турбонадува

В странах ЕС в последние без малого 30 лет беспрерывно совершенствуются (в сторону ужесточения) нормативы загрязняющих окружающую среду выбросов от автотранспортных средств. Вот как во времени эволюционировали эти экологические стандарты безопасности:

Евро 0 (1988 год), ограничение содержания в выхлопе углеводородных остатков (CH), окиси углерода (CO), окисных азотных соединений (NO) и дыма (K);
Евро 1…5 (1992 – 2015 г.) кроме снижения содержания указанных выше составляющих в десятки – сотни раз, ограничили наличие взвесей (дисперсных частиц) (PM);
Евро 6 ввел нормирование двуокиси углерода (CO2).

Дизель в качестве привода более предпочтителен в сравнении с бензиновым из-за более экономного расходования горючего, меньшей токсичности выхлопов, возможностями по увеличению его мощи за счет принудительной подачи (наддува) воздуха повышенного давления на сгорание. Рассмотрим дизели с наддувом для машин весом до 3500 кг. Их выбросы нормируют по ГОСТу Р 41.83-2004.

Тенденции развития наддува в дизелях (выпуск по 2000 год включительно)

Разберем их на примере двигателя (объем 1,9 л) от автостроительной компании Volkswagen, который устанавливают на автомобили Golf, в связи с изменениями экологических нормативов Евро 0 – 3. Получены графики давления воздуха pk (абсолютного) на нагнетании одноступенчатого турбокомпрессора от числа оборотов n коленвала. Их еще называют внешними скоростными характеристиками двигателя.

Воздушные нагнетатели – регулируемые:

кривые (1 и 2) соответствуют агрегату с байпасным (перепускным) клапаном, создающим возможность пропуска выхлопа, миновав турбину;
сопловой аппарат с изменяемой (регулируемой) площадью сечения (кривые 3 – 5).

Из рассмотрения этих характеристик видно:

максимум повышения давлений находится в районе 1000 – 2000 об/мин;
поддержание максимума абсолютного давления при 2000 – 4000 об/мин;
при изменениях требований стандартов (Евро 0 – Евро 3) давления возросли с 1,8 до 2,5 бар, а удельная литровая мощь дизельного двигателя выросла от 34 до 57 кВт/л.

Форсирование мощности от 42 кВт/л и выше требует применения регулируемого соплового аппарата турбины для соответствия выбросов Евро 2 и 3.

В дальнейшем, при введении норм Евро 4, 5 и 6, происходила дальнейшая модернизация одноступенчатых и постепенный переход к двухступенчатым турбокомпрессорам.

Одна ступень сжатия воздушного центробежного компрессора вращается за счет энергии выхлопных газов, раскручивающих приводную турбину. Поэтому его называют турбокомпрессор (ТК). ТК встречаются регулируемые и нерегулируемые. Регулировка осуществляется воздействием на скорость (с помощью специальных конструктивных решений):

выхлопных газов на входе в турбину;
массы воздуха на нагнетании из компрессора.

Наибольшее распространение получили такие нагнетатели автомобильных дизелей:

WGT (с перепускным клапаном сброса выхлопа в атмосферу минуя турбинное колесо);
ТК с регулируемым сопловым аппаратом (РСА) у турбины;
ТК типа VST (с дросселированием, т.е. резким снижением давления выхлопа перед турбиной).

ТК типа WGT устроен следующим образом (см. рисунок ниже).

Имеются преобразователь давления наддува воздуха в электрический сигнал (1), вакуум-насос (2), привод перепускного клапана (3) и сам клапан (5). Клапан по команде преобразователя направит течение потока выхлопных газов по байпасному патрубку, минуя колесо турбины (8), установленное в ее корпусе (4). Турбинное колесо посредством общего вала приводит во вращение рабочее колесо компрессора (9). Дымовые газы от дизеля подводятся к турбине патрубком (6), а сжатый воздух от компрессора во впускной коллектор двигателя идет через нагнетательную трубу (7).

Преимущества применения ТК типа WGT:

предельное упрощение процесса регулирования перепускным клапаном;
максимальное давление поддерживается при 2000 – 4500 об/мин.

Сброс выхлопного газа высокого теплосодержания (энтальпии) в атмосферу (минуя турбину), чтобы поддерживать заданное значение pk после прохождения точки максимума по крутящему моменту. Это приводит к повышенному расходу дизельного топлива и загрязнению окружающей среды вредными соединениями.
Имеются зоны снижения давления воздуха (провалы) в переходных режимах двигателя.

Виды двигателей и проявление в них турбоямы

В связи с тем, что турбоямы возникают, в народе принято считать, что такие явления могут сопровождаться исключительно в дизельных двигателях. Однако такие суждения не являются исконно верными. Дизель на самом деле является низкооборотистым типом внутреннего сгорания, однако в основном рабочие обороты достигают всего лишь 3000. Именно поэтому наиболее заметно явление турбоямы на этих двигателях.

Бензиновые моторы также не являются исключением из правил, турбояма возникает и у них.

Как на дизельном, так и на бензиновом двигателе холостые обороты колеблются от 800 до 1000 оборотов. Именно в связи с этим если резко ускориться в движении, то турбояма возникнет и в том, и в другом случае. Наиболее страдают от турбоямы двигатели с турбинами, которые приводятся в действие при помощи энергии выхлопных газов, но существуют и иные типы.

Как избавится от турбоямы?

Чтобы избавиться от турбоямы нужно провести диагностику

инастройку двигателя и сделать так называемый чип-тюнинг. В процессе него специалисты изменяют настройки в электроном блоке управления задавая ожидаемые параметры опираясь на специальные таблицы. Это очень ответственный процесс, требующий большой точности.

Вторым, более эффективным способом избавления от турбоямы для дизельных двигателей является установка пауербокс Smart Diesel

, который подключается к топливному датчику и изменяет режим работы двигателя в зависимости от поступаемых от туда сигналов. Применение данного устройства также снижает расход топлива и позволяет произвести собственнику авто более ювелирную настройку под конкретный режим работы.

А также об различных типах компрессоров. Но сегодня я отдельно хочу посвятить статью, такому явлению как «ТУРБОЯМА», им «болеют» многие турбированные автомобили, а особенно те, что имеют привод от выхлопных газов …

«ТУРБОЯМА» (англ.TURBO-LAG) – это небольшой «провал» (или «ЛАГ») при ускорении автомобиля оснащенного турбиной. Проявляется на низких оборотах двигателя, от 1000 до 1500. Особенно сильно сказывается на дизельных моторах.

Если сказать простыми словами, этот эффект «бич» многих турбин, и все потому что они эффективно работают на высоких оборотах, а вот на низких не очень. Поэтому если вам нужно резко ускориться, и вы жмете педаль газа – «в пол», то автомобиль отреагирует через пару мгновений – резко ускорится, а вот сначала он как бы замрет! К таким двигателям нужно привыкнуть, потому как если вы перестраиваетесь из ряда в ряд, вам важны каждые секунды при маневре.

Методы борьбы с турбоямой на дизеле

Одним из наиболее популярных способов уменьшения эффекта турбоямы на дизеле является установка системы улиток с различным сечением. Это позволяет подавать газы через каналы с отличающимися диаметрами, ускоряя турбину постепенно. Соответственно турбояма и рывок пропадают.

Установка дополнительной турбины

Компания Mazda, чтобы минимизировать турболаг, использовала дополнительную турбину в последних версиях RX-7. На низких и средних оборотах начинает работать первая турбина (механическая или электронная), далее подключается вторая турбина по мере увеличения оборотов двигателя.

Система «Анти-лаг» (Anti-Lag System (ALS))

Текущие модели автомобилей, участвующих в соревнованиях по ралли, оснащены наиболее эффективной системой для борьбы с турболагом, известной как Anti-Lag System (ALS). Производители деталей могут быть разными, но принцип работы остается неизменным.

Небольшое количество сжатого нагнетаемого воздуха может обходить дроссель, когда он закрыт.

Зажигание пресекается, и небольшое количество несгоревшего топлива попадает непосредственно в выхлопную трубу, где, смешиваясь с воздухом, самопроизвольно воспламеняется.

Поскольку дроссель закрыт, входной канал заполняется сжатым чистым воздухом. Как только дроссель открывается, цилиндры мгновенно заполняются им, что приводит к мгновенной реакции при впрыске топлива.

Недостатком Anti-Lag System (ALS) являются огромные тепловые нагрузки, действующие на компоненты турбонаддува и выхлопной системы автомобиля.

Подробнее принцип работы системы ALS.

Продувочный клапан

Еще одним способом уменьшить турболаг является установка продувочного клапана.

Обычно при переключении передачи дроссель закрывается и воздух от вращающегося турбонаддува упирается в закрытую заслонку. Чтобы избежать рециркуляции воздуха, продувочный клапан выпускает воздух, находящийся под давлением.

Как стало понятно, что турболаг или турбояма – это давно известная проблема, с которой пытаются бороться многие производители двигателей. И по мере развития новых технологий эта борьба становиться успешней.

Что такое турбо лаг?

Турбо-задержка — это временная задержка между нажатием педали акселератора и открытием дроссельной заслонки до тех пор, пока турбокомпрессор не начнет создавать давление наддува и увеличивать мощность. Это также известно как время намотки. Бензиновые двигатели часто имеют более длительную турбо-задержку, чем дизельные двигатели, а более крупные двигатели с меньшими турбокомпрессорами имеют более короткую турбо-задержку, чем небольшие двигатели с большими турбонагнетателями.

Например, небольшой бензиновый двигатель с довольно большим турбонагнетателем достигает лишь 1,5 бар при 4500 об / мин. Если вы нажмете педаль акселератора и откроете дроссельную заслонку при 2000 об / мин, турбо-лаг — это время, необходимое для достижения 4500 об / мин, то есть полной мощности.

Современные автомобили с турбонаддувом часто имеют турбонаддув, который практически отсутствует, особенно у дизельных двигателей. Но даже с этими двигателями вы часто можете почувствовать, что когда вы нажимаете педаль акселератора на низких оборотах, у вас на какое-то время нет мощности. Турбо-лаг часто сокращается за счет установки двойного турбонаддува. Вы также можете использовать нагнетатель, чтобы уменьшить турбо-лаг.

Нагнетатели практически не имеют турбонаддува и могут сочетаться с турбокомпрессором. Однако выполнить эту процедуру довольно сложно, поэтому я рекомендую вам получить некоторые знания, прежде чем пытаться это сделать.

Техническая сторона вопроса

Постараюсь детально описать работу процесса.

Турбина, которая работает на энергии отработанных газов, представляет из себя две практически идентичных крыльчатки, закрепленные на одном валу, но расположенные в различных камерах, причем они не соприкасаются друг с другом и находятся герметично друг от друга.

Одна крыльчатка является ведущей, а другая ведомой.

Ведущую раскручивают выхлопные газы мотора, она начинает вращаться и передает энергию (по средствам вала) второй ведомой, та также начинает вращение.

Ведомая крыльчатка, начинает засасывать воздух с улицы и подавать его под давлением в двигатель.

Обе крыльчатки могут раскручиваться до достаточно больших оборотов, не редко от 50 000 и выше, таким образом – давление, нагнетаемое в систему достаточно высоко! Стоит понимать — обороты зависят от потока выхлопа, чем он выше, тем больше оборотов на турбине.

Стоит заменить — что в некоторых системах стоит так называемый клапан «сброса давления» или «байпасный» клапан. Он рассчитан на контролирование и сброс лишнего давления, иначе двигатель или его системы подачи топливной смеси, могут просто повредиться.

Такая система достаточно производительна на высоких оборотах, когда поток «выхлопа» велик. Но вот на низах, не все так гладко.

На холостых оборотах, при необходимости резко ускорится, вы нажимаете на педаль газа и ожидаете мгновенной реакции. Но ничего не происходит! Это может длиться до 2 – 3 секунд. Затем автомобиль, просто «выстреливает» — это и есть «турбояма».

Все дело в том, что при нажатии на педаль газа — топливной смеси нужно пройти в цилиндры — там сгореть и выйти в виде выхлопа — который уже заставляет турбину раскручиваться. На низких оборотах, поток слабый и поэтому вращение крыльчаток медленное.

После того как вы «дали газу», как раз и проходит несколько секунд, чтобы газы пошли интенсивнее.

Другими словами, «турбояма» это не что иное, как задержка мощности при резком нажатии на педаль газа.

Если вы постоянно давите на педаль, то выхлоп идет в полную силу и поэтому производительность нагнетателя на должном уровне.

Плюсы и минусы турбомотора

В плюсе — понятное дело: увеличение мощности мотора, улучшение динамики машины и снижение вредных выбросов за счет более полного сгорания смеси. К плюсам можно отнести и более устойчивую работу двигателя в условиях высокогорья.

Но за эти плюсы придется очень многим заплатить (минусы):

Увеличенный расход топлива. При равных объемах, двигатель с турбонаддувом будет потреблять больше топлива примерно на 20%, но и выдавать лошадиных сил на 70% больше.

Ресурс турбодвигателя. Увеличение мощности двигателя при таких же массово-габаритных показателях, приводит к повышенному износу основных узлов. Результатом этого является уменьшение ресурсных возможностей двигателя.

Масляное голодание. Снижается устойчивость к износу поршневой группы. Этому способствует то, что возрастает давление со стороны картерных газов. При работе продолжительное время в таких условиях может возникнуть «масляное голодание». Оно в свою очередь может привести к поломке турбокомпрессора. Ресурс самой турбины так же невелик 100-150 тыс.км.

Турбояма и турбоподхват. Турбояма возникает когда резко нажимают на педаль газа, а турбина еще не успела набрать обороты. Турбоподхват возникает сразу после прохождения турбоямы, когда резко увеличивается давление выхлопных газов, что ведет к перегреву турбины.
Существует несколько способов решения данной проблемы:

применение турбины с изменяемой геометрией;
использование двух параллельных турбонагнетателей;
использование двух последовательных турбонагнетателей;
комбинированный наддув.

Качественное топливо и масло. Заправлять топливо придется только высокого качества, в противном случае турбина может очень быстро умереть. Помимо этого, использование турбины предполагает наличие моторных масел особых сортов, которое вдобавок придется в два раза чаще менять. Так же высокие требования предъявляются и к воздушному фильтру, который тоже придется менять гораздо чаще.

Дорогостоящий ремонт и обслуживание. Конструкция и устройство турбины довольно сложны и применяются там только качественные материалы, поэтому и стоимость их не маленькая.

Кроме этих минусов, есть ещё особенности в управлении двигателем:

Запуск турбодвигателя при низкой температуре. Запускать турбодвигатель при низкой температуре рекомендуется с предварительной прокруткой. Сначала стартером делаются 2 – 3 короткие прокрутки, после чего производится запуск турбодвигателя на холостых оборотах. Предварительная прокрутка позволяет запустить циркуляцию масла в двигателе и начать постепенное заполнение системы маслом, что предотвратит масляное голодание.

Выключение двигателя с турбиной (термоудар) Главным «врагом» турбины является так называемый «термоудар». При движении на высоких скоростях число оборотов турбины составляет более 100 тыс. об/минуту. При этом сама турбина, естественно, сильно нагревается.

Охлаждение турбины происходит с помощью масла, циркулирующего в самом устройстве. Если охлаждающий поток масла вместе с остановкой двигателя резко остановится, то турбина перегреется и выйдет из строя. Поэтому после больших нагрузок, перед остановкой, турбомотору надо какое то время поработать на холостом ходу.

Работа турбомотора на холостых оборотах. Долгая работа турбированного двигателя на холостых может привести к протечкам масла в местах соединений.

В данной ситуации давление масла в турбине гораздо выше чем давление подаваемого воздуха, что способствует протеканию масла через соединения, это будет заметно по характерному синему цвету выхлопа. Масло будет оседать на элементах турбины в виде нагара, что по мере пробега скажется на ее ресурсе.

Как избавится от турбоямы?

Чтобы избавиться от турбоямы нужно провести диагностику

и настройку

двигателя и сделать так называемый чип-тюнинг. В процессе него специалисты изменяют настройки в электроном блоке управления задавая ожидаемые параметры опираясь на специальные таблицы. Это очень ответственный процесс, требующий большой точности.

Вторым, более эффективным способом избавления от турбоямы для дизельных двигателей является установка пауербокс Smart Diesel

, который подключается к топливному датчику и изменяет режим работы двигателя в зависимости от поступаемых от туда сигналов. Применение данного устройства также снижает расход топлива и позволяет произвести собственнику авто более ювелирную настройку под конкретный режим работы.

«ТУРБОЯМА» (англ.

TURBO-

LAG)

– это небольшой «провал» (или «ЛАГ») при ускорении автомобиля оснащенного турбиной. Проявляется на низких оборотах двигателя, от 1000 до 1500. Особенно сильно сказывается на дизельных моторах.

Нагнетание воздуха

Установка турбины обусловлена желанием или необходимостью увеличить мощность мотора на 10–20%. Фактически, прирост производительности агрегата дает увеличение объема топлива, подаваемого в цилиндры. При этом кислорода, нужного для сжигания бензина или дизеля, не хватает. Турбина возмещает эту нехватку путем принудительного нагнетания воздуха. Создаваемое давление не только увеличивает производительность двигателя, но и сокращает расход топлива.

Турбина – это конструктивно простой агрегат, состоящий из двух изолированных друг от друга камер. В каждой из них на одном общем валу закреплены крыльчатки. Одна приводится в движение выхлопными газами, что раскручивает вторую, которая и забирает воздух для сжигания топлива.

Турбина способна разгоняться до 150 000 об/мин. Такая скорость и интенсивность нагнетания способна разнести двигатель. Чтобы это предотвратить, избыточное давление сбрасывается через специальный клапан, который называется байпасным. Для увеличения эффективности турбины устанавливается интеркулер. Он охлаждает нагнетаемый в цилиндры воздух, делая его плотнее, что также предотвращает перегрев мотора.

Турбояма и радиатор

Особая компоновка радиатора – эффектное решение для высокоскоростных спортивных машин. Например, одним из эффективных ответов на вопрос, что такое турбояма и как избавиться от ее проявлений во время работы двигателя спортивного автомобиля в экстремальном режиме, можно считать особую компоновку радиатора на спортивных автомобилях (так называемая система V — маунт).

Радиатор располагается под углом, а не фронтально, и только часть поступающего воздуха (до 25 процентов), используется для охлаждения двигателя. А основной поток также «работает» на раскрутку турбины, создавая избыточное давление на крыльчатку ротора турбо-ускорителя.

Вредные эффекты турбоямы

Теперь когда вам стал более понятен процесс возникновения турбоямы мы можем перейти к описанию ее вреда для самой турбины. Топливо не сгоревшее в цилиндрах выходит через выпускной клапан вместе с отработанными газами продолжая свое горение в корпусе турбины. Это приводит к постепенному появлению нагара, падению КПД турбокомпрессора, изменению геометрии и в крайне редких случаях поломке.

В полной мере негативный эффект турбоямы проявляется в дизельных авто с АКПП (автоматической коробкой переключения передач). Задержка во времени между нажатием на педаль газа и прибавкой в скорости настолько существенна, что в определенных условия может привести к аварии.

Обратной стороной турбоямы и ее прямым следствием является турбозадержка.

Для более полного понимания вреда турбоямы стоит также учитывать, что привод турбокомпрессора создает встречное сопротивление в выпускном коллекторе на пути отвода выхлопных газов из цилиндров, тем самым затрудняя их очистку.

Хотя эти потери незначительны и полностью в последствии компенсируются, при достижении необходимого давления турбиной, увеличением мощности силового агрегата на 40% -70% их стоит учитывать, поскольку они также влияют на безопасность езды.

Турбокомпрессор

Турбокомпрессор или турбочарджер состоит из 2-х крыльчаток, одна перед поступлением воздуха в двигатель (холодная часть турбокомпрессора), а вторая уже после выхода газов из двигателя (горячая, собственно турбина). Эту вторую приводят во вращение выхлопные газы. И уже она вращает переднюю, которая жестко с связана с задней и нагнетает дополнительный воздух в двигатель. Соответственно, может быть больше сожжено топлива. В итоге больше мощность и больше выхлопных газов.

Система построена так, что чем больше давление выхлопных газов, тем быстрее может вращаться турбина. А чем быстрее вращается турбина, тем больше нагнетается воздуха. Чем больше воздуха, тем больше выхлопных газов. И далее по кругу. Чтобы турбокомпрессорный двигатель не превратился в турбореактивный, устанавливается ограничивающий обороты перепускной клапан, который сбрасывает часть давления выхлопных газов.

Это замечательная система, которая находит применение уже отработанным газам и увеличивает не только мощность и крутящий момент, но и КПД двигателя

Кому мало этой прибавки, могут обратить внимание на турбокомпаунд, о котором в этой мы поговорим уже в другой статье

Но у этой замечательной системы есть несколько неприятных недостатков, которые делают покупку автомобилей с такими двигателями не столь желанной. Столь очевидных недостатков, как сложность и цена касаться не будем.

Как образуется турбояма

Так почему при нажатии на педаль турбированный мотор реагирует с запозданием? Причина проста – необходимо время на раскрутку крыльчатки. То есть, утопленный в пол акселератор только запускает процесс раскрутки турбины. Фактически, она начинает работать после сжигания увеличенной порции топлива, поступившего в цилиндры, результатом чего становится образование большего объема выхлопных газов. Они и запускают процесс нагнетания в цилиндры воздуха. Промежуток между командой на начало разгона и фактическим увеличением скорости и называется турбоямой.

Если охарактеризовать явление максимально просто, то это задержка, необходимая для раскрутки крыльчатки. Она заметна только при резком возрастании оборотов и мощности мотора.

Особенности устранения турбоямы на бензиновом моторе

Бензин при сгорании образует меньшее количество выхлопных газов. Это также влияет на скорость изменения частоты вращения турбомеханизма. Для того, чтобы автовладелец не узнал, что такое турбояма, автопроизводители разрабатывают всевозможные конструктивные решения. Появление нагнетателя, позволило избавится от зависимости объема подаваемого воздуха в камеру сгорания от количества выхлопных газов.

Для высокодинамичных машин используется измененная компоновка радиатора, который располагается под углом. Недостатком ухода от фронтального размещения является снижение поступления воздуха, охлаждающего двигатель. При этом воздушный поток раскручивает турбину, создавая давление на крыльчатке турбомеханизма.

Причина появления турбоямы

Для того, чтобы лучше понять почему появляется турбояма и как от нее избавится сначала нужно разобрать в принципе работы турбокомпрессора .

Привод турбины осуществляется за счет использования давления кинетической энергии отработанных газов на крыльчатку. От сюда можно сделать вывод, что чем меньше их давление, тем менее эффективна работа турбины. Например, при обгоне: сразу после резкого нажатия на педаль газа скорость оборотов двигателя начинает расти моментально, в то время как выхлопные газы покидая его только начинают раскручивать турбину. Из-за этого турбокомпрессору не хватает мощности чтобы сжать воздух достаточно сильно дабы компенсировать возросшую подачу топлива в цилиндры, что приводит к падению калорийности горючей смеси. То есть горючее сгорает не полностью из-за недостатка кислорода и КПД двигателя падает. К счастью это временный процесс и турбина быстро набирает необходимое давление увеличивая мощность наддува.