Турбина двигателя — как работает и стоит ли бояться ДВС с турбиной

Частично иностранное слово «турбонаддув» начало тревожить слух российских водителей относительно недавно. Массовые продажи машин с наддувом начались в России в начале 2010-х. Тогда на арену вышли 1.4 Turbo от Opel, 1.5 EcoBoost от Ford, 1.6 Prince от PSA/BMW и легендарные 1.4 TSI с турбиной от Volkswagen. Тогда турбо моторы казались чем-то высокотехнологичным и не очень понятным. Первые отзывы о турбинах были действительно ужасающими: форумы и чаты наполнялись историями о том, как «турбина гонит масло», «пропала тяга», «турбина наддува накалилась до красна». Так ли страшен турбо двигатель в 2025-м и стоит ли отказывать себе в драйверских эмоциях и ощущении моментального «подхвата»? Все точки над «i» готовы расставить технические сотрудники разбора Гидрач.рф.

История появления турбонаддува двигателя

Нехватка мощности всегда превращалась в острую проблему. То же самое произошло и после появления двигателя внутреннего сгорания. Насладиться прелестями изобретения еще не успели, как появилась нужда в повышении мощности ДВС. Сначала все превратилось в безумную гонку. Инженеры не спали ночами, наращивая количество цилиндров ради создания монструозных моторов. На этом этапе пришло осознание, что энергию выхлопных газов можно использовать рационально. К началу XX века человечество около сотни лет успешно эксплуатировало водяные и газовые турбины. Общая логика на тот момент была ясна. Источник энергии — это воспламеняющаяся смесь воздуха и топлива. Чем больше горючего поступает в цилиндры, тем сильнее «молотит» двигатель. Однако пределом выступали размеры камеры сгорания. Подкапотное пространство автомобиля имеет ограниченные параметры и идти по пути увеличения размеров ДВС было просто нерационально. Гораздо проще сжимать воздух и подавать его под давлением в относительно компактные цилиндры. Первые успешные опыты были поставлены рукастыми немцами — Готлибом Даймлером и Рудольфом Дизелем. В начале 1900-х они «надували» двигатель без турбины, идя по пути механического нагнетания воздуха в камеру. На старте результаты были не ахти и на доведение турбонаддува двигателя до ума потребовалось еще 50 лет.

Вот основные вехи внедрения турбокомпрессоров в мировой автопром:

• 1962-1963 гг — выпуск первых серийных автомобилей с турбиной, ими стали Oldsmobile F-85 Jetfire и Chevrolet Monza Spyder;
• 1970-е — появление турбин в моторах Formula 1, создание в Европе первого серийного двигателя с турбокомпрессором для BMW 2002 Turbo (1973);
• 1980-е — схема турбины стала устоявшейся и пошла в массовое производство, появление дизельного турбонаддува на Mercedes-Benz 300SD и VW Golf MK1.

Сегодня Россия обращается к экологическим стандартам Евро-5, не поспевая за европейцами с их готовящимся Евро-7. Все это слабо влияет на климат и экологию, зато позволяет продавать людям дорогие гаджеты на колесах с «удушенными» моторами. Ради снижения эмиссии и топливного аппетита автогиганты идут на «даунсайзинг» — снижение объема двигателя. При этом адекватная мощность получается за счет улучшенных характеристик турбины, о которых мы и поговорим в следующем разделе.

Принцип работы турбины автомобиля

Нагнетатель, турбо, турбина, «улитка» —  эта система может называться по-разному, но в основе лежит один принцип. Любой турбированный двигатель включает в себя турбину, которая состоит из двух частей — турбинной (горячая часть) и компрессорной (холодная часть). В целом, принцип функционирования турбины элементарен. Обе части жестко соединены валом, на котором расположены два колеса с лопастями — их чаще называют лопатками турбины. В турбированном моторе поток отработавших газов первоначально идет в горячую часть турбины и попадает на колесо. Лишь затем газы поступают в выхлопную трубу. Энергия потока выхлопных газов конвертируется в крутящий момент. Через ось момент подается на крыльчатку колеса компрессора, который базируется в холодной части турбины. Крыльчатка засасывает воздух в центре, а по радиусу придает ему существенное ускорение. Немалую роль в устройстве турбины играет форма улитки.

На горячей стороне такая конструкция эффективно улавливает выхлопные газы. В это же время в противоположной части забирается атмосферный воздух, который работает как охлаждение турбины и подается далее по каналам интеркулера. Ось турбины наддува при этом работает в масляном клину и в пике турбина развивает до 150-300 тысяч оборотов в минуту. В интеркулере сжатый воздух охлаждается и подается в цилиндры. Если сравнивать с естественным способом подачи воздуха в камеру, система турбины подаст гораздо больше газа под давлением. Как следствие — быстрое сгорание смеси, снижение расхода топлива, улучшение прочих показателей. Важно, что выше описана стандартная работа турбины. В некоторых случаях она может иметь электрический или механический привод от шкивов двигателя. Есть и другие технологические опции, внедренные ради повышения эффективности наддува двигателя.

Элементы системы наддува, применяемые технологии

Прежде чем обратиться к неисправностям турбины в машине, быстро пройдемся по основным компонентам и применяемым технологиям. Вот где находится турбина — обычно она крепится в районе выпускного коллектора ради удобства подачи выхлопных газов. Помимо бензиновой или дизельной турбины, состоящей из двух «улиток» в едином картридже, в конструкции имеются такие элементы.

Интеркулер. Без интеркулера работа турбины двигателя была бы невозможна. Несмотря на серьезное название, деталь по сути является теплообменником (радиатором). Если перевести с английского, то intercooler в буквальном трактовании — промежуточный охладитель, который снижает температуру воздуха перед подачей в камеру сгорания. Элемент является простым, но играет серьезное значение, поскольку избыточное тепло опасно для современных алюминиевых моторов с тонкими стенками блока. Возникает оно по вполне понятным причинам — к высокой температуре турбины нужно добавить процесс сжатия воздуха и повышенное давление турбины. Обычно интеркулер размещается над мотором, о чем можно узнать по воздухозабонику на капоте, а также перед кассетой радиаторов. Более эффективными являются жидкостные интеркулеры, которые встречаются на машинах группы VAG, но при этом они отличаются более «замудренным» строением. 

Вестгейт и актуатор турбины. Деталь с названием wastegate является перепускным клапаном, чье название на самом деле могло бы переводиться как «ворота расходования». Именно поэтому в простонародье клапан турбины называют «калиткой». Он открывается и закрывается, регулируя подачу выхлопных газов и предотвращая чрезмерно быстро вращение вала. Чем быстрее крутится компрессор, тем больше давление турбины двигателя, также растет и количество подаваемого воздуха в двигатель. Если контрольные значения наддува будут превышены, то излишняя мощность турбины начнет рвать всю систему в клочья. При избыточном давлении в дело вступает актуатор — пневматический или электронный привод, который открывает вестгейт.

Предохранительный клапан. Если резко отпустить педаль газа, обороты быстро упадут и дроссельная заслонка закроется. Однако роторы турбины продолжат вращаться и по инерции будут создавать повышенное давление. В таком случае вал смещается и исчезает масляный клин. Из-за излишнего трения детали картриджа турбины быстро выйдут из строя. По умолчанию автопроизводители в качестве клапана наддува устанавливают байпас. При росте давления на впуске клапан перепускает сжатый воздух в обратную сторону — от турбины по направлению к воздушному фильтру. Конечно, нагрузки на крыльчатку не избежать, но губительные толчки неплохо амортизируются из-за перенаправления потоков воздуха. Второй вариант клапана турбокомпрессора — редукционный клапан блоу-офф. Эта «железяка» основана на том же принципе открытия при избыточным давлении. Однако сброс сжатого воздуха происходит наружу, что сопровождается пресловутым «свистом» турбины. Автопроизводители выбирают байпас, который не создает шума в подкапотном пространстве, блоу-офф же нацелен на любителей уличных гонок и тюнинга. 

«Холодные» и «горячие» патрубки турбины. Тут все просто и путаницы быть не может. Все каналы, по которым раскаленные газы идут от коллектора к турбине именуются «горячими». Соответственно, «холодная» часть патрубков турбокомпрессора доставляет воздух от турбины в сторону дроссельного узла. Интеркулер также к «холодной» стороне.  

Также отдельно стоит рассказать о дополнительных системах в турбонаддуве:

• изменяемая геометрия турбины — за счет подвижных лопаток газы могут подаваться на них под разны углом, на малых оборотах ДВС при низком давлении выхлопа газы поступают под острым углом и турбина резво «раздувается», при нормальном давлении лопасти занимают исходную позицию и не препятствуют потоку выхлопных газов;

• твинскролл или «двойная улитка» — имеет два впускных канала, вся турбина разделена на две части и при этом газы воздействуют на одну и ту же крыльчатку на общем валу, одна часть работает на малых нагрузках, вторая подключается при динамичной езде;

• турбина с электроприводом — гибридный вариант, в котором электромотор отвечает за «подхват» при низком давлении выхлопных газов, такой подход позволяет минимизировать турболаг;

• управление подъемом выпускных клапанов — клапаны ускоряют поток выхлопа, приподнимаясь на определенную высоту, обычно такое решение встречается на моторах автомобилей группы VAG.

Плюсы и минусы установки турбины (заводских турбомоторов)

Эта игра не имеет проигравших или победителей, хотя автопроизводителям и удается внедрять более дорогие узлы и детали в свои автомобили. Перед покупкой авто с турбированным мотором необходимо четко понимать его потребительские свойства и недочеты. Сначала затронем положительные моменты:

1. Компактный мотор занимает мало места в подкапотном пространстве, конструкция получается более легкой, что положительно влияет на ходовые качества и ресурс подвески. 
2. Таможенные пошлины и утильсбор — малообъемные моторы позволяют ввезти шустрый автомобиль, который впишется в разумные налоговые и таможенные ставки.
3. Отличная динамика и быстрый разгон до сотни за счет давления турбокомпрессора. Основную часть водителей нельзя отнести к гонщикам, но запас лошадок под капотом греет душу при трассовых обгонах, которые будут проходить наиболее безопасным образом. 
4. Полное сгорание топлива и скромный расход. Высокие показатели в плане экологии – этот довод зачастую является лицемерием, ведь пыль от покрышек или литиевые поля несут гораздо больший вред окружающей среде. 

Все эти плюсы порадуют первых и вторых владельцев, которые действительно сэкономят на топливе, ввозных пошлинах, а при возникновении поломок получат ремонт турбины по гарантии. Машины с наддувом имеют ряд очевидных минусов, некоторые из них с возрастом начнут прогрессировать:

1. Высокая стоимость компонентов, плотная компоновка моторного отсека со множеством патрубков, проводов и шлангов усложняет проведение ремонтных работ.
2. Реальный ресурс бензинового двигателя на турбине составляет 150-250 тысяч километров, турбодизельные варианты обычно ходят гораздо дольше. Двигатель работает с высокой температурой и претерпевает серьезные нагрузки. Прогар клапана, задиры на стенках цилиндров, закоксовка и ранний масложор — все эти недочеты характерны для турбированных бензиновых ДВС. 
3. Стандартная замена масла должна происходить один раз в 5 тысяч километров, чуть реже порядочные владельцы решаются на интервал в 6-7 тысяч. Лицемерие дилеров с их 10-15 тысячами приводит к ускоренному износу мотора. Кроме того, масло в турбо двигатель обходится нынче не дешево. 
4. Возрастные автомобили нельзя глушить сразу, автомобиль после поездки должен поработать пару минут на турботаймере. В современных машинах мотор охлаждается электрической помпой и глушить его можно сразу после поездки. 
5. Проблемы с ликвидностью. Потенциальные покупатели всегда будут сомневаться в адекватном состоянии турбомотора при покупке подержанного автомобиля. Особенно это относится к китайским кроссоверам, которые итак серьезно просели на вторичке.
6. Турбомоторы потребляют топливо АИ-95 и выше. Учитывая цену высокооктанового топлива, экономия может проявиться лишь на длительной дистанции с которой турбоагрегат может сойти досрочно.

С одной стороны, мы получаем авто с драйверскими повадками. С другой — малопонятный ресурс, дорогое обслуживание и придирчивость к топливу. Первые 100-150 тысяч километров могут пройти беспроблемно. После такого пробега автомобиль отправляется на вторичный рынок, а все проблемы как обычно перекладываются на новых владельцев. Все это — серьезные доводы, чтобы задуматься перед покупкой. 

Неисправности турбины — симптомы и диагнозы

Турбокомпрессор работает на стыке сразу нескольких систем автомобиля. Его здоровье напрямую зависит от состояния других узлов. Поэтому при появлении неполадок ограничиться диагностикой турбины не выйдет, потребуется вдумчивое изучение состояния двигателя и всей машины. Диагностика нужна и для того, чтобы новая турбины не вышла из строя из-за неисправности соседних деталей. Вот на что стоит взглянуть изначально.

Герметичность систем впуска и выпуска автомобиля. Даже атмосферные моторы при наличии «подсоса» начинают троить и потреблять больше топлива. Вы уже знаете как работает турбина и понимаете, что негерметичность впуска и выпуска будет вызывать опасные перепады давления. Банальная экономия на воздушном фильтре или несвоевременное устранение «подсоса» в гофре быстро приведут к износу компрессорного колеса. Попадающие извне частички грязи работают как пескоструй, который начнет съедать стальные лопасти. Еще один враг турбомоторов — забитый нейтрализатор, создающий увеличенное противодавление для выхлопа. Все это сокращает ресурс подшипников, прокладок турбины и самого вала.  

Попадание посторонних предметов в крыльчатку. Отгоревший электрод свечи или небольшой винтик, забытый механиком во время ремонта, непременно приводят к установке ремкомплекта турбины. Вал узла вращается с невероятной скоростью и попадание любых предметов приводит к деформации и ремонту турбокомпрессора. Нередко «улитка» полностью клинит и ротор ломается на две части от скручивания — такая оказия ведет к замене турбины целиком. 

Чувствительность турбины двигателя к качеству масла. Узел даже более требователен к чистоте и качеству моторного масла, нежели турбо мотор. Турбокомпрессор работает в тяжелых температурных режимах (до 1000 градусов по Цельсию), а масляный клин — это единственное, что защищает внутренности «улитки». Именно поэтому увеличенные интервалы замены масла и экономия на фильтрах первым делом ударяют по ресурсу турбокомпрессора. 

Масляное голодание. Самая распространенная причина — закоксовывание подводящей трубки. Нередко она забивается масляными продуктами и масла для турбоннадува элементарно не хватает. Не менее важны корректная работа масляного насоса, а также исправность системы вентиляции картерных газов. Именно из-за нее владельцы «попадают» на ремонт турбины двигателя. К подшипникам турбины масло подается под высоким давлением, а сливается оттуда самотеком. Даже незначительные отклонения в давлении картерных газов приведут к тому, что владельцу придется поменять турбину. 

Передув нагнетателя. Чаще всего с поломкой сталкивается турбированный дизель. Под «передувом» понимается работа с постоянным превышением заводских параметров давления. Мощность мотора падает, при этом турбокомпрессор перегревается, повышается расход топлива. Обычно проблема возникает из-за сажи внутри, дефектов на лопатках, выхода из строя актуатора.

Обычно наддув «умирает», показывая стандартные признаки приближающегося конца: шум, сизый дым из выхлопа, выдавливание масла через уплотнения. При выявлении этих признаков стоит провести проверку турбины в специализированном СТО. 

Подводя итоги

Прибавка 30-50% мощности — годный аргумент в пользу покупки машины с турбиной. При этом эксплуатация окажется более дорогой из-за требовательности компрессора к маслам и топливу. В этом обзоре мы практически не затронули дизельные моторы, для которых турбонагнетатель считается скорее плюсом, нежели минусом. Если автомобиль уже куплен, то соблюдайте простые правила. Прогревайте мотор перед активной ездой и не глушите его сразу после агрессивных заездов. Меняйте масло чаще, чем того требуют заводские регламенты. Не подвергайте мотор регулярным пиковым нагрузкам и следите за чистотой клапана PCV, который провоцирует выброс масла в турбонагнетатель.