В ходе семинара «Снабжение воздухом в бензиновых и дизельных двигателях. Системы турбонаддува», проведенного компанией MS Motorservice International, специалисты автосервисных станций довольно подробно рассмотрели широкий спектр вопросов: условия функционирования турбонагнетателя, регулирование наддува и конструкция различных клапанов, регулирующих давление нагнетателей.
Проводивший занятие Сергей Газетин, технический менеджер компании MS Motorservice International, прежде всего напомнил собравшимся, что ранее в ходе семинаров уже рассматривались различные способы регулирования подачи воздуха в двигатель, конструкции турбонагнетателей, системы их смазки и охлаждения.
В систему снабжения двигателя воздухом могут входить следующие компоненты: воздушный фильтр, клапан – преобразователь давления, рециркуляционный воздушный клапан, датчик расхода воздуха, датчик давления во впускном коллекторе, впускной коллектор, модуль дроссельной заслонки, модуль электропривода.
В управлении турбонаддувом участвует электрический переключающий клапан (EUV), который осуществляет управление приводом заслонок впускного коллектора, клапаном вторичного воздуха, продувкой угольного адсорбера, приводом турбонагнетателя (westegate). Электропневматический преобразователь давления (EPW, DW) управляет клапаном рециркуляции EGR и приводом лопаток турбины VGT (DW-TL). Рециркуляционный воздушный клапан (SUV) управляет байпасным воздушным каналом.
Наполнение двигателя воздухом может осуществляться приводным нагнетателем или турбокомпрессором. Приводной нагнетатель не повышает КПД двигателя, когда он работает на высоких оборотах, поэтому данное устройство не востребовано в современных высокоэффективных моторах.
В отличие от приводного нагнетателя, турбокомпрессор использует энергию выхлопных газов, он применяется в автомобилях уже много десятков лет. Отдача двигателя пропорциональна массе воздуха, нагнетаемого в цилиндры. Для увеличения отдачи двигателя воздух подается с избыточным давлением. Турбинное колесо вращается под воздействием кинетической энергии выхлопных газов. Это вращение транслируется на компрессорное колесо, которое нагнетает воздух в цилиндры. В целом конструкции различных турбокомпрессоров похожи. При их изготовлении требуются высокая точность, специальные материалы и компоненты, например особо прочные подшипники. Частота вращения ротора турбонагнетателя легкового автомобиля достигает 320 тыс. об/мин, температура нагнетаемого воздуха колеблется в диапазоне 140–180 градусов Цельсия. Очевидно, что турбонагнетатель нормально работает ровно до тех пор, пока все нормально с двигателем. Как только что-то в двигателе идет не так, турбонагнетатель испытывает повышенную нагрузку и его ресурс существенно сокращается.
Ключевой момент обслуживания турбонагнетателя – смазка, так как при использовании некачественного масла или при загрязнении масла продуктами износа ресурс устройства сокращается в разы. Масло ведь не только упрощает вращение, защищая нагнетатель от износа, оно также отводит излишнее тепло. Большинство турбонагнетателей не имеет охлаждения антифризом, но те, что имеют таковое, после остановки двигателя оказываются в катастрофических условиях, так как масло на разогретых подшипниках начинает коксоваться. Поэтому рынок вторичного обслуживания предлагает турботаймеры, а производители автомобилей ставят дополнительные циркуляционные водяные насосы. Они всегда должны находиться в исправном рабочем состоянии, иначе турбонагнетателю здорово «не поздоровится».
На подавляющем большинстве бензиновых двигателей давление наддува регулируется перепуском части отработавших газов в обход турбинного колеса через байпасную заслонку (клапан westegate). При низких нагрузках и оборотах байпасная заслонка westegate закрыта, весь поток отработавших газов воздействует на турбинное колесо и давление наддува может беспрепятственно нарастать. При достижении заданного давления наддува байпасная заслонка открывается, скорость вращения вала турбокомпрессора уменьшается и давление наддува стабилизируется или снижается – в зависимости от режима работы двигателя.
В базовой конструкции с нерегулируемым пневматическим приводом камера байпасной заслонки напрямую соединена с выходом компрессора турбонагнетателя. Момент открытия байпасной заслонки определяется жесткостью пружины актуатора. Такие двигатели производились чуть ли не до середины 2000-х годов. Турбина с клапаном westegate не требует никаких датчиков или электронных средств управления. Она сама себя регулирует. Все просто, эффективно, но не очень точно. В конце 1990-х годов такая система перестала устраивать конструкторов и было решено увеличить точность и быстродействие в управлении наддувом. Это было важно не только с точки зрения получения удовольствия от вождения, но и с позиций ресурсности двигателя. Нужно было точнее контролировать детонации, вовремя сбрасывая давление. Поэтому в патрубок интегрировали клапан, модулирующий давление, который в состоянии как полностью блокировать поступление воздуха, так и сбросить его в атмосферу или же организовать нечто среднее.
Электрический переключающий клапан в большинстве случаев используется для реализации простой функции подачи вакуума или давления на какой-либо пневматический исполнительный элемент. При работе в режиме переключения клапан может находиться в двух устойчивых состояниях – открытом или закрытом. Клапан либо связывает источник подачи давления с пневматическим приводом, либо сбрасывает давление в атмосферу. Его действия координируются блоком управления двигателем посредством транзисторного ключа в цепи массы.
Режим минимального наддува организуется через пневмокамеру westegate, которая напрямую соединена с выходом нагнетателя через управляющий клапан – модулятор давления. Если клапан-модулятор обесточен либо значение скважности управляющих импульсов низкое, то давление компрессорного колеса воздействует напрямую на диафрагму пневмопривода, то есть система в обесточенном состоянии работает аналогично базовой версии – пороговое давление определяется жесткостью пружины пневмопривода. Если по какой-то причине возникнут проблемы в электроцепи, двигатель будет работать с наддувом, но с минимальным.
Режим максимального наддува организуется, когда на клапан-модулятор подается напряжение и воздух сбрасывается в атмосферу. Давление, создаваемое компрессорным колесом, не оказывает воздействия на мембрану пневмопривода. И рабочее давление может беспрепятственно нарастать до максимальных значений. Ситуация выглядела бы угрожающе, если бы электронный блок управления (ЭБУ) не подавал сигнал в клапан-модулятор. По этому сигналу клапан начинает раздавать давление – частично на турбину, частично в атмосферу.
Электрическая схема цепи управления модулятором давления включает в себя аккумуляторную батарею, замок зажигания, предохранитель, клапан – модулятор давления, блок управления двигателем, управляющий транзистор, соединение с массой. Клапан, управляемый ШИМ-сигналом, работает исключительно в режиме «вкл/выкл», а интегрирующей средой, сглаживающей давление, выступают трубка и объем пневмокамеры.
Говоря об особых случаях в череде наиболее характерных конструкций бензиновых двигателей, стоит обратить внимание на те моторы, в которых клапан турбонагнетателя работает не с давлением, а с вакуумом, подающимся от вакуумного насоса. Простейший пример – пресловутый двигатель EP6, оборудованный Twin-Scroll-турбиной с одной улиткой и двумя крыльчатками разных размеров. В нем для управления диафрагмой используется вакуум, и в обычном неактивном состоянии westegate открыт. «Калитка» закрывается после запуска двигателя.
В последнее время в бензиновых двигателях все чаще применяются электрические приводы управления заслонкой westegate. Такой привод быстро срабатывает и позволяет точно позиционировать заслонку. Он используется на современнейших двигателях с повышенным давлением наддува.
Еще один элемент управления наддувом – рециркуляционный воздушный клапан. Когда водитель отпускает педаль газа и закрывает дроссельную заслонку, давление от компрессорного колеса «упирается в стену». Происходит стремительный рост давления. Если в этот момент необходимо резко ускориться, то водитель, нажав на газ, ощутит так называемую турбояму и возникнет помпажный эффект, который не лучшим образом сказывается на лопатках турбинного колеса. Избежать негативных последствий, нивелируя эффект турбоямы, помогает рециркуляционный воздушный клапан. Раньше такие клапаны были пневматическими, сейчас они электрические, причем вышло их уже несколько поколений. Рециркуляционный воздушный клапан является довольно популярным и востребованным продуктом на вторичном рынке.
На подавляющем большинстве современных дизельных двигателей легковых автомобилей давление наддува регулируется изменением угла наклона направляющих лопаток соплового аппарата турбины. При низких нагрузках и оборотах направляющие лопаток максимально сведены. Отработавшие газы воздействуют на периферию лопаток турбинного колеса. Скорость вращения вала турбины максимальна для данного объема выхлопных газов. При достижении заданного давления наддува направляющие лопатки раздвигаются и отработавшие газы воздействуют на всю их площадь. Скорость вращения вала турбокомпрессора уменьшается, а давление наддува стабилизируется или снижается.
Если вектор воздействия приходится на внешний край лопаток, то скорость вращения становится очень большой и давление обеспечивается максимальное. В том случае, когда максимальное давление не нужно, воздействие выхлопных газов направляется к центру лопастей или на зону, расположенную ближе к валу – так замедляется вращение турбинного колеса.
Изменение угла наклона лопаток может осуществляться и с помощью клапана – модулятора давления. Это уже не устройство, работающее по схеме «вкл/выкл», а клапан пропорционального управления. Блок управления двигателя задает необходимое значение скважности на основании калибровочных таблиц и сигналов от датчика давления наддува. Стоит иметь в виду, что клапан может довольно сильно нагреваться, до температуры 100 и более градусов Цельсия, но это не является признаком неисправности.
Когда двигатель остановлен либо работает в аварийном режиме, ШИМ-сигнал на клапан-модулятор не подается, лопатки находятся в исходном положении и турбокомпрессор может обеспечить лишь минимальное давление. Как только двигатель запускается на холостом ходу, на клапан поступает ШИМ-сигнал скважностью 65–90% и на мембрану привода лопаток начинает действовать высокое разрежение. Лопатки турбины в этом случае максимально сведены, и турбокомпрессор обеспечивает максимальное давление наддува. После того как автомобиль тронется с места и поедет, давление некоторое время будет держаться на максимуме, затем несколько снизится. Клапан перейдет в режим модуляции давления – излишек он будет сбрасывать в атмосферу, а необходимое станет применять в работе турбины.
Неисправностью номер один в дизельных турбированных автомобилях является выход из строя клапана – модулятора давления. В рекламациях эта поломка занимает лидирующее место наряду с топливными насосами. Однако практика свидетельствует о том, что подавляющее большинство возвратов связано с низкими компетенциями диагностов. Как правило, мастера не имеют должного представления о принципах работы этого устройства и не могут проверить клапан. Они заказывают эту деталь, устанавливают ее на замену, но обнаружив, что проблема не исчезает, сетуют на плохое качество детали, которая абсолютно исправна.
Негерметичность заборного тракта также является распространенной причиной отказа системы турбонаддува. Она часто возникает в местах соединения шлангов с интеркулером. Отдельной статьей проходит проблема расхода масла в турбине или в компрессоре. Газодинамическое уплотнение закоксовывается и перестает работать. Причиной закоксовывания может быть перегрев системы, сильно загрязненный воздушный фильтр или же ненадлежащее качество масла.
Когда возникает проблема расхода масла через турбонагнетатель, в поиске причины мастер должен рассматривать несколько вариантов. Во-первых, может быть заблокирована сливная трубка; во-вторых, прорыв картерных газов может вызывать повышенное давление в картере; в-третьих, к увеличению давления в картере может привести неисправность системы вентиляции картера. И наконец, протечки масла могут появиться просто из-за его избытка в системе.
Самому клапану-модулятору также угрожают некоторые факторы, главным из которых выступает коррозия. Ее провоцирует попадание влаги через отверстие сброса давления, когда двигатель моют распылителями. Риск появления ржавчины услиливается, если отсутствует защитный фильтр или негерметичны вакуумные трубки.
Шум, который иногда издает клапан-модулятор, можно игнорировать, если при этом не страдает давление наддува. Как правило, от шума можно избавиться путем замены вакуумной трубки на менее жесткую.
Интересная, нетривиальная система включения двух турбонагнетателей используется в четырехлитровом двигателе Audi V8 TDI (AE898). Там сначала работает один нагнетатель, затем, примерно на 2200 об/мин, включается второй. Процесс регулируется рециркуляционным воздушным клапаном. Абсолютное давление наддува в этом двигателе составляет 3,4 бара.
Наддув, как правило, довольно пристально контролируется ЭБУ двигателя. Автомобиль может показывать коды как недостаточного, так и избыточного давления наддува, но бывают и неоднозначные коды неисправности. Например, ошибка 004110 – воздействие на крутящий момент из-за защиты турбонагнетателя. В одном из конкретных случаев момент был снижен по причине заклинивания электропривода. Еще один пример – код ошибки 4521 charge pressure air control, когда вроде бы ничего не понятно и причину ошибки приходится устанавливать на холостых оборотах с диагностическим сканером.
Все вышесказанное свидетельствует о том, что в работе с турбинами от мастеров требуется немалый багаж знаний и некоторый практический опыт. Кроме того, сотрудники СТО, специализирующиеся на этом направлении, должны своевременно актуализировать свои навыки, так как технический прогресс не стоит на месте и новые решения следуют одно за другим.