Преимущества и недостатки турбинного двигателя в автомобилях: стоит ли его выбирать

Владельцы автомобилей, без сомнения, знакомы с моделями, оборудованными турбированными двигателями. Эти силовые агрегаты внутреннего сгорания имеют как своих сторонников, так и противников. В данной статье рассмотрим, какие плюсы и минусы связаны с использованием турбонаддувных двигателей в автомобилях.

Особенности турбинного двигателя на автомобиле

Страны с высоким уровнем использования автомобильного транспорта активно стремятся к экономии топлива и контролю за выбросами вредных веществ в атмосферу. В результате, турбированные двигатели малого и среднего объема начинают пользоваться растущим спросом.

История турбинированных ДВС берет свое начало в 1905 году, однако массовое применение в легковых автомобилях началось лишь во второй половине XX века. Что представляют собой турбинные движки? Турбонаддув — это устройство, которое нагнетает воздух в цилиндры атмосферного двигателя, увеличивая тем самым среднее эффективное давление в них. Это приводит к росту мощности двигателя при неизменном объеме его конструкции.

Работа мотора с турбонаддувом осуществляется за счет нагнетателя, который получает энергию от отработанных газов. Эти газы вращают турбинное колесо, которое, в свою очередь, через роторный вал приводит в действие компрессорное колесо. Нагретый воздух сжимается компрессором, затем попадает в интеркулер для охлаждения, после чего производится подача в цилиндры.

Существует мнение, что турбированные двигатели обеспечивают отличную экономию топлива в городских условиях, что также подчеркивают производители. Кроме того, они обеспечивают значительную пиковую мощность при высоких оборотах. Поэтому автопроизводители все чаще комплектуют свои модели именно такими двигателями, что позволяет соответствовать строгим экологическим нормам, не снижая при этом уровень мощности, а в некоторых случаях даже повышая его.

На сегодняшний день турбированные ДВС устанавливаются на разнообразные типы автомобилей, включая спорткары, кроссоверы, внедорожники и пикапы.

Турбированные двигатели стали настоящим прорывом в производстве силовых агрегатов современных автомобилей. Их создатели стремились увеличить мощность при не изменении объема. Поскольку предполагается, что такие двигатели будут устанавливаться на автомобили массового сегмента, их надежность должна быть высокой.

Для направления тепловоздушной смеси в камеру сгорания в таких двигателях используется давление, что позволяет увеличить мощность и крутящий момент. Турбинами комплектуются двигатели с небольшими объемами, которые при этом расходуют минимальное количество топлива и соответствуют строгим экологическим стандартам. В этих ДВС турбина запускается за счет остаточной энергии в выхлопных газах. Поток газов создает принудительное давление в цилиндрах, где осуществляется подготовка топливовоздушной смеси.

Изначально турбинами оснащались исключительно дизельные автомобили, так как конструкция турбонаддува на бензиновых моторах снижала надежность двигателей и повышала их стоимость. Позже разработчики усовершенствовали конструкции турбин, что позволило устанавливать их на бензиновые ДВС различных массовых автомобилей.

Принцип работы турбинного двигателя на автомобиле

В зависимости от устройства и принципа работы двигатели внутреннего сгорания разделяются на:

• атмосферные;
• турбированные.

Различие между ними заключается в наличии в системе турбонаддува компрессора, интеркулера, регулятора давления и других компонентов. Основным элементом является турбокомпрессор, который отвечает за повышение давления в системе впуска воздуха. Интеркулер служит для охлаждения воздуха, что увеличивает его плотность.

Система управляется регулятором давления, который контролирует уровень давления газов. Ограничивая поток, клапан создает оптимальное давление в системе.

Турбокомпрессор работает следующим образом:

• Воздух проходит через фильтр и попадает на вход.
• Сжимается, повышая содержание кислорода, но при этом благодаря нагреву уменьшает свою плотность.
• Сжатый воздух выходит из турбинного компрессора, попадает в интеркулер, где охлаждается.
• Сжатый воздух через дроссель и впускной коллектор подается в цилиндры двигателя.
• Часть выхлопных газов снова подается в коллектор турбины, создавая поток, который вращает вал, к которому присоединен компрессор.
• Воздух снова сжимается.

Бензиновые и дизельные турбированные двигатели на авто практически идентичны, различия касаются только уровня давления. Дизельные агрегаты требуют большего давления, поэтому они комплектуются мощными нагнетателями, в то время как бензиновым достаточно менее мощных, чтобы избежать детонации при избыточном давлении в камере сгорания.

1. Бензиновый турбированный мотор представляет собой ДВС с повышенным уровнем сжатия воздуха в цилиндрах. Это ведет к увеличению как мощности, так и других характеристик. Инженеры, создавая первый силовой агрегат, стремились повысить его мощность, не меняя объем. Решение заключается в обеспечении оптимального «дыхания» двигателя, где дополнительный объем воздуха, поступающего под давлением в цилиндры, улучшает сгорание топливовоздушной смеси.
2. Турбодизельные двигатели имеют схожую конструкцию, однако различие с бензиновыми заключается в наличии интеркулера, который охлаждает воздух перед подачей в цилиндры. Холодный воздух имеет меньший объем, и это позволяет увеличить его количество в цилиндрах в сравнении с теплым воздухом.

Преимущества и недостатки турбинных двигателей

Автомобили с турбированными двигателями обладают рядом преимуществ:

1. Дополнительная мощность без дополнительных затрат. Считается, что выхлопные газы двигателя создают добавочную энергию, которая приводит в движение турбину на впуске. Таким образом, энергия газы служат бесплатным источником для нагнетателя. Однако это мнение не является однозначным, так как в системе имеется сопротивление, которое инженеры стараются минимизировать. Таким образом, считать энергию, используемую для турбонаддува, полностью бесплатной нельзя; её скорее можно охарактеризовать как недорогую.
2. Увеличение мощности двигателя без изменения его объема и массы. Благодаря турбонаддуву силовой агрегат получает мощность, не увеличивая количество цилиндров. Это ведет к улучшению параметров небольших двигателей, уменьшению массы автомобилей и сокращению тормозного пути и времени разгона.
3. Автомобили с турбинами более экономичны, они требуют значительно меньше топлива по сравнению с атмосферными моторами аналогичной мощности. Это связано с тем, что один ход поршня в цилиндрах таких силовых агрегатов позволяет сжигать меньше топлива, поскольку топливо эффективно полностью сгорает благодаря повышенному количеству воздуха.

Говоря о достоинствах и недостатках автомобилей с турбированными двигателями, не обойдем стороной и их минусы:

1. Зависимость работы турбины от оборотов. При старте на низких оборотах, турбина может не активироваться, что приводит к замедлению разгона. Динамика разгона на малых оборотах может быть даже хуже, чем у автомобилей с обычными атмосферными двигателями. На низких оборотах энергия выхлопных газов недостаточна для эффективного вращения турбины и создания давления в камере сгорания. Эффект от работы турбинного двигателя начинается проявляться только при высоких оборотах.
2. Нагнетание воздуха осуществляется достаточно медленно. Для формирования нужного давления на впуске требуется определённое время. Благодаря усилиям инженеров, работающих над этой задачей, время отклика нагнетателя стало существенно короче.
3. Если автомобиль оборудован автоматической коробкой передач или вариатором, при ускорении трансмиссия может сама переключиться на более низкую передачу, чтобы минимизировать негативные последствия от инертности нагнетателя.

На данный момент существует несколько способов решения проблемы инертности турбинного мотора:

• битурбонаддув (двойной наддув);
• турбина с изменяемой геометрией;
• комбинированный наддув.

Двойной наддув предполагает использование двух компактных турбин, которые работают быстрее, чем одна крупная. Каждая из них обрабатывает равное количество цилиндров двигателя. Говоря простым языком, это можно сравнить с несколькими компрессорами, которые активируются в зависимости от оборотов двигателя.

Турбина с изменяемой геометрией регулирует поток выхлопных газов, благодаря чему увеличивается производительность турбинного мотора автомобиля, изменяя размер впускного канала.

Комбинированный наддув включает в себя как турбокомпрессор, так и механический нагнетатель. При низких оборотах двигателя давление создается нагнетателем, в то время как при увеличении оборотов включается турбинный компрессор.

Ранее упоминалось, что в процессе сжатия воздуха температура в системе значительно возрастает, что может негативно влиять на работу ДВС. Для снижения негативных эффектов применяется дополнительное охлаждение, которое требует расхода части энергии.

Несмотря на наличие недостатков, турбинные двигатели способны значительно повысить мощность, эффективность и экономичность автомобиля. Кроме того, эксперты уверены, что есть возможность дополнительно усовершенствовать турбомоторы.

Существует мнение, что менее сложные двигатели более надёжны. Исходя из этой точки зрения, атмосферные ДВС обладают большей долговечностью благодаря своей простой конструкции. Турбинные двигатели включают в себя больше компонентов, что делает их более сложными. Хотя их надёжность относительно высока, затраты на ремонт могут оказаться значительными из-за сложности конструкции.

Высокие нагрузки могут привести к ускоренному износу отдельных деталей ДВС, что сокращает срок службы всего агрегата. Турбина также испытывает значительные нагрузки: высокая скорость вращения лопастей и температура могут привести к её выходу из строя после 100-150 тыс. км пробега. Важную роль играют качественные смазочные жидкости, топливо и сама конструкция турбины. К тому же, стоимость турбокомпрессоров достаточно высока.

Отзывы водителей о турбинных двигателях

Что говорят водители о турбомоторах? Рассмотрим отзывы владельцев автомобилей с турбинными двигателями.

1. Расход топлива остаётся прежним

   – Турбина – это полезное устройство, обычно она включается при достижении оборотов около 3 000. Это значит, что если не разгоняться слишком сильно, то охлаждение и расход топлива не будут отличаться от расхода обычного мотора.

2. При аккуратной эксплуатации турбины служат долго

   – Правильное обслуживание и плановая замена масла в двигателе – это залог долговечности классических турбин даже на бензиновых ДВС, которые могут пройти от 150 до 200 тыс. и даже больше. Цены на турбины варьируются от 20 до 60 тыс. рублей, а можно выбрать как новые детали, так и б/у или китайские аналоги. Чаще всего проблемы касаются не механики турбины. На современных устройствах устанавливаются актуаторы управления, которые в условиях жесткой эксплуатации чаще всего выходят из строя.

   Долговечность турбины во многом зависит от условий ее работы. Если произойдёт поломка, ремонт обычно возможен, но это обойдётся недёшево.

3. На дизельных автомобилях турбины служат долго

   – Все дизельные машины должны быть оснащены турбинными двигателями. Они легко поддаются тюнингованию и отличаются высокой долговечностью. Современные автомобили с турбомоторами способны на быстрый разгон, даже при малом объёме двигателя. Однако есть одна проблема – они плохо нагреваются сами и салон прогревают также не очень эффективно. У меня был двигатель 1,4 TSI – зимой было не очень тепло.

4. Низкая оборотность не является для турбины проблемой

   – Современные турбинные двигатели не требуют соблюдения особых условий эксплуатации. Ранее нельзя было сразу выключать двигатель, чтобы дать турбине остыть. Теперь низкие обороты для турбины не страшны. Хотя современные моторы улучшены и оснащены инновационными системами охлаждения, слишком долгое использование автомобиля с включенной турбиной может сократить её ресурс.

   Из-за резких ускорений и замедлений современная турбина не страдает, так как она оснащена клапанами сброса давления, которые контролируют подачу воздуха и предотвращают детонацию, а также перепускными клапанами, поддерживающими постоянное вращение компрессорного колеса, что позволяет избежать эффекта турбоямы и обеспечивает быстрый отклик.

5. Не стоит сильно давить на газ для быстрого прогрева

   – Пока двигатель не нагреется хотя бы до +50…+60 °C, его не следует перегружать. Как только прогрет, тепловые зазоры приходят к необходимым параметрам, и моторное масло также нагревается. Таким образом, после запуска автомобиля не нужно сразу давить на газ, чтобы ускорить его прогрев. В противном случае горячие отработанные газы начнут действовать на турбину, а недостаточно прогревшееся масло будет плохо циркулировать, что приведет к перегреву и ускоренному износу турбины.

6. Не выключайте двигатель сразу после активной поездки

   – Не стоит выключать автомобиль с турбинным двигателем сразу после динамичной поездки, если вы активно использовали турбину, разогревая её до высоких температур. Если турбина испытывала сильные нагрузки, дайте двигателю поработать на холостом ходу 3-5 минут. Это позволит масляному насосу нормально работать, обеспечивая циркуляцию масла, а значит, будет происходить отвод тепла и поступление смазки к турбине, которая ещё долго будет вращаться под инерцией.

   Работа ДВС на высоких оборотах приводит к тому, что турбокомпрессор может вращаться со скоростью от 100 до 250 тыс. оборотов в минуту. Если сразу после этого выключить мотор, перепад температуры в турбине может привести к её быстрому выходу из строя. Жар, выделяемый турбиной, воздействует на подшипники, и из-за этого масло может карбонизироваться, что вызывает отложения в подшипниковой системе и повреждение вала турбины. Если же автомобиль эксплуатируется в спокойном режиме, то нет никаких ограничений по времени его выключения.

Вопросы по теме

Каковы экологические последствия использования турбинного двигателя в автомобилях?

Турбинные двигатели, как правило, более эффективны и производят меньше выбросов CO2 по сравнению с традиционными бензиновыми и дизельными двигателями. Однако их производство может включать использование редких металлов, что также вызывает экологические беспокойства. Дополнительно, при работе на высоких температурах может происходить выброс оксидов азота, поэтому важно учитывать как прямые, так и косвенные экологические воздействия.

Может ли турбинный двигатель стать mainstream технологией в автомобильной промышленности?

Переход к турбинным двигателям в массовом производстве автомобилей требует решения нескольких ключевых проблем: устойчивости к высоким нагрузкам, стоимости и адаптации к текущим стандартам экологии и безопасности. Хотя потенциал данной технологии очевиден, в настоящее время доминируют традиционные бензиновые и электрические двигатели. Внедрение турбинных двигателей возможно, но вероятнее всего для специализированных или высокопроизводительных моделей.

Как сравниваются технические характеристики турбинного двигателя и электрического?

Турбинные двигатели обеспечивают высокую мощность и эффективность на высоких оборотах, что может быть привлекательно для спортивных автомобилей. Они, как правило, работают быстрее, чем стандартные двигатели внутреннего сгорания, что позволяет им достигать высоких скоростей. Электрические двигатели, с другой стороны, обеспечивают мгновенный крутящий момент и более плавный ход, при этом их эффективность на низких скоростях значительно выше. В конечном счете, выбор между этими двумя типами двигателей будет зависеть от предпочтений водителя и целей использования автомобиля.