+375 29 603 71 13Технологии турбонаддува
Часть 1. Принцип действия турбонагнетателя.
Итак, классический турбонагнетатель (см. рис. 1 ниже) состоит из двух крыльчаток, находящихся на одной оси, и работает следующим образом. После того, как в цилиндрах происходит воспламенение смеси, открываются выпускные клапаны и выводят выхлопные газы из цилиндров в выпускной коллектор. Далее поток выхлопных газов проходит через улитку турбины (закрученный корпус, с виду похож на улитку) и попадает на лопасти так называемой горячей крыльчатки (так как выхлопные газы на выходе из цилиндров имеют температуру около 900 градусов). Этот горячий поток раскручивает крыльчатку и уходит в выхлопную трубу. Обе крыльчатки турбины установлены на одной оси. Соответственно, раскручиваясь, горячая крыльчатка раскручивает и вторую, холодную крыльчатку, которая находится на другом конце оси. Холодная крыльчатка засасывает поступающий через систему впуска воздушный поток и нагнетает (или другими словами сжимает) его для подачи в цилиндры. Правда, перед тем как этот сжатый воздух подает в цилиндры, он проходит через интеркулер, чтобы понизить его температуру. Ведь в процессе сжатия воздух нагревается под давлением.
Рис. 1: классический турбонагнетатель
Понятно, что чем больше обороты двигателя, тем больше он производит выхлопных газов, а они, в свою очередь, сильнее раскручивают горячую крыльчатку. Но проблема классического турбонагнетателя в том, что на малых оборотах выходящий из цилиндров поток выхлопных газов не в состоянии раскрутить горячую крыльчатку до нужной скорости, так как не обладает достаточной интенсивностью. Холодная же крыльчатка, в свою очередь, не может сжать поступающий воздух до необходимого давления перед подачей в цилиндры, опять же из-за недостаточной скорости вращения. Происходит это потому, что форма горячей крыльчатки рассчитана на оптимальную работу при средних и высоких оборотах, когда поток выхлопных газов достаточно интенсивен. При низких оборотах, когда интенсивность потока выхлопных газов недостаточно велика, турбонагнетатель не может создать в системе впуска необходимое давление и появляется так называемый эффект турбо-ямы. Проще говоря, вы жмете на газ, а машина «не едет», и только когда двигатель достигает 2000-2500 об/мин турбина включается в работу и происходит рывок.
При слишком высоких оборотах классический турбонагнетатель также не слишком эффективен, потому что горячая крыльчакта в такой ситуации должна крутиться слишком быстро, что может вызвать недостаток смазки механизмов турбонагнетателя и, как следствие, масляное голодание. А работа турбины без смазки в течение всего пары секунд может вывести ее из строя. Чтобы предотвратить поломку турбины, вызванную ее работой на слишком высоких оборотах, в корпусе горячей крыльчатки предусмотрен клапан, при открытии которого излишние выхлопные газы выходят напрямую в выхлопную трубу, не попадая на крыльчатку турбины. И тем самым эффективность турбонагнеталя при открытом клапане падает.
Подытоживая все вышесказанное про классический турбонагнеталь, мы имеем вот что: эффект турбо-ямы на низких оборотах, неэффективная работа на высоких оборотах. Для водителя первое означает запоздалый и нелинейный отклик на педаль газа. Оба же описанных недостатка подразумевают частые переключения передач, чтобы постоянно держать двигатель "в тонусе", т.е. поддерживать обороты в диапазоне максимального крутящего момента. Эти проблемы заставили инженеров придумать более совершенную технологию, но об этом уже в следующей части. На последок несколько графиков зависимости мощности и крутящего момента от оборотов двигателя — атмосферный мотор (рис. 2) vs. турбо-мотор (рис. 3):
Рис. 2: характеристика мощности и крутящего момента в зависимости от оборотов двигателя — атмосферный мотор.
Рис. 3: характеристика мощности и крутящего момента в зависимости от оборотов двигателя — турбо-мотор.
На обоих графиках синяя линия изображает крутящий момент в ньютон-метрах, красная — мощность в киловаттах. Возможно сравнение не совсем корректное, так как на графике для турбо-мотора представлена характеристика дизеля, да еще и оппозитного. Но главное отличие тем не менее все равно можно проследить — на рис. 3 хорошо видно так называемую "полку" крутящего момента у турбо-мотора. То есть при оборотах двигателя в диапазоне от 1800 об/мин до 2400 об/мин доступен максимальный крутящий момент, который в данном случае составляет 350 ньютон-метров. У атмосферного же двигателя максимальный крутящий момент доступен только в одной точке. Скажу сразу, что разные технологии турбонаддува влияют на форму синей линии на рис. 3, а именно на то, насколько резко/полого она поднимается к "полке" и насколько резко/полого опускается после "полки". Другими словами, различные технологии призваны увеличить ширину "полки" крутящего момента, а также сделать так, чтобы начиналась эта "полка" как можно раньше.
================================================================================Часть 2. Различные технологии турбонаддува.
В этой части я опишу различные технологии турбонаддува, а именно:
— Twin-turbo (Bi-turbo) и основные его разновидности;
— турбонагнетатель с изменяемой геометрией;
— турбонагнетатель Twin-scroll.
Twin-turbo & Bi-turbo
Сразу стоит отметить, что это одно и то же. Оба понятия подразумевают использование двух турбонагнетателей. В зависимости от типа двигателя существуют разные варианты двойного турбонаддува. На V-образных моторах чаще всего используется параллельная схема, когда два турбонагнетателя одинакового размера устанавливаются на разные «половинки» двигателя. Такая схема по сути аналогична классической схеме с одним турбонагнетателем, описанной в первой части. Две половинки мотора в такой схеме можно рассматривать как два отдельных двигателя.
Есть также последовательная схема, когда два одинаковых турбонагнетателя ставятся последовательно друг за другом. Такая схема используется в основном в рядных бензиновых 4- и 6-цилиндровых моторах. Тогда на низких оборотах, когда выхлопных газов недостаточно для того, чтобы раскрутить обе турбины, работает только один турбонагнетатель. При повышении оборотов двигателя подключается и второй. Работа их регулируется с помощью перепускных клапанов, которые могут перекрывать подачу выхлопных газов на одну из турбин и таким образом отключать ее.
Но меня в данном случае больше интересуют дизельные двигатели с двумя турбонагнетателями. Так вот на них чаще всего используется немного другая схема. Из-за того, что дизельные двигатели менее «оборотистые», чем бензиновые, то на малых оборотах они производят недостаточно выхлопных газов для раскрутки большой турбины. При этом турбонагнетатели также устанавливаются последовательно, но они разные по размеру. Такая схема на примере рядного 6-цилиндрового дизельного двигателя BMW N57 представлена на рис. 4 ниже:
Рис. 4: twin-turbo с последовательной схемой подключения турбин (6-цилиндровый дизель BMW N57).
На схеме отчетливо видно, что один из турбонагнетателей меньше другого. Также на рис. 4 представлено 3 сценария работы — на малых, средних и высоких оборотах. Кроме двух турбонагнетателей на схеме изображены три клапана, которые регулируют работу турбин. На малых оборотах все клапаны закрыты и поток выхлопных газов принудительно направляется на маленькую турбину, а затем на большую. Таким образом большая турбина предварительно сжимает входящий поток воздуха, а маленькая сжимает его еще сильнее и подает в цилиндры.
На средних оборотах один из перепускных клапанов приоткрывается и большая турбина включается в работу более активно, тогда оба нагнетателя работают вместе. На высоких же оборотах два перепускных клапана полностью открыты. При этом поток выхлопных газов идет по кратчайшему пути сразу на большую турбину и не попадает в маленькую, маленькая турбина отключается и работает только большая. То же самое происходит и в системе впуска — полностью открытый клапан не позволяет уже сжатому большой турбиной потоку входящего воздуха попасть на маленькую турбину, а идет сразу в цилиндры. Третий клапан (вверху слева на схеме) нужен для того, чтобы не перегрузить большую турбину.
Такая схема называется Variable Twin Turbo (из-за разных размеров турбин) и используется не только для устранения турбо-ямы, но и для увеличения мощности двигателя. Устанавливается как правило на самые мощные дизельные двигатели в гамме. На менее мощных дизелях используется другая технология, про которую я расскажу ниже.
Турбонагнеталь с изменяемой геометрией турбины.
Эта технология еще называется Variable Geometry Turbine (VGT) или Variable Nozzle Turbine (VNT). Суть ее заключается в использовании одного турбонагнетателя, но за счет определенного ухищрения она позволяет устранить турбо-яму и одновременно расширить полку максимального крутящего момента.
Ухищрение состоит в том, что в корпусе турбины, в которой находится горячая крыльчатка, установлены лопасти, которые позволяют регулировать пропускную способность этой турбины (т.е. регулировать ее геометрию). Эти лопасти установлены на осях и могут поворачиваться. Схема такого турбонагнетателя изображена на рис. 5 ниже:
Рис 5: турбонагнетатель с изменяемой геометрией.
Так, на малых оборотах, когда поток выхлопных газов недостаточно интенсивен, лопасти прикрываются, чтобы уменьшить поперечное сечение турбины и таким образом увеличить скорость потока. Это позволяет избежать турбо-ямы на низких оборотах. Тогда как на высоких оборотах лопасти полностью открыты, что увеличивает сечение турбины до максимума и не дает ей крутиться слишком быстро. Лопасти закреплены на кольце, которое встроено в корпус турбины, а их положение регулируется с помощью актуатора (см. рис. 5 выше).
Таким образом, это решение является неким компромиссом между использованием одного классического турбокомпрессора и твин-турбо схемы. К тому же, такая инсталляции легче и дешевле агрегата с твин-турбо. Но с другой стороны, мощность двигателя при использовании такой схемы ниже, чем в варианте с твин-турбо. Стоит отметить, что в абсолютном большинстве современных дизельных двигателей используется именно турбонагнетатель с изменяемой геометрией. Только лишь на самые мощные варианты устанавливают твин-турбо.
Twin-scroll.
Наконец, последняя технология, о которой я хотел бы рассказать в этой статье, это технология под названием твин-скролл (twin-scroll). Используется эта технология на бензиновых 4- и 6-цилиндровых рядных турбомоторах. С виду турбокомпрессор твин-скролл сложно отличить от обычного классического турбокомпрессора. Разница видна только если посмотреть на твин-скролл в разрезе (см. рис. 6 ниже).
Рис 6: турбонагнетатель twin-scroll.
Суть технологии заключается в том, что выхлопные газы из одной половины цилиндров поступают в турбину изолированно от выхлопных газов из другой половины цилиндров. Рис. 7 показывает, как выглядит выпускной коллектор при использовании турбонагнетателя twin-scroll:
Рис. 7: выпускной коллектор для турбины twin-scroll..
Таким образом, за счет того, что два потока выхлопных газов подаются на турбину по разным каналам, есть возможность сделать эти каналы разного сечения и формы. Также можно запустить поток выхлопных газов на крыльчатку турбины под разными углами. В итоге, один из потоков идет по каналу меньшего сечения, но с более высокой скоростью, что позволяет избежать турбо-ямы на низких оборотах. Второй поток имеет большее сечение и подает большее количество выхлопных газов на крыльчатку при средних и высоких оборотах двигателя. Эта технология на бензиновых турбомоторах позволяет решать те же задачи, что и турбина с изменяемой геометрией на дизельных двигателях, а именно — минимизация эффекта турбо-ямы и увеличение диапазона, в котором доступен максимальный крутящий момент двигателя (расширение полки крутящего момента).
В первых двух частях я собрал информацию о различных технологиях турбонаддува и принципах их действия. В этой части я расскажу, какие из описанных мной технологий использует BMW в своих автомобилях. А также чуть более подробно рассмотрю дизельный двигатель BMW под индексом N47.
================================================================================Часть 3. Так какую же технологию использует BMW?
Владельцы современных BMW, открыв капот своей машины, скорее всего увидят надпись TwinPower Turbo, причем как на бензиновых, так и на дизельных моделях. Честно говоря, эта фраза может ввести в заблуждение неискушенного пользователя.
BMW TwinPower Turbo
Так что же все-таки значит TwinPower Turbo? По большому счету, ничего, кроме того, что на двигателе вашего авто установлен турбонаддув. В современных моторах BMW используется практически вся гамма технологий турбонаддува, описанная мной во второй части. На бензиновых моторах используются твин-скролл турбины. На дизельных агрегатах — турбины с изменяемой геометрией. А на самых мощных дизелях в линейке — твин-турбо с турбинами разных размеров. Замечу, что пишу здесь о гражданских моделях, не затрагивая M-версии. Самые мощные дизели BMW, на которых установлено три турбонагнетателя, я также не затрагиваю. К слову, на BMW 7 серии нового поколения, возможно, будет установлен дизельный двигатель с четырьмя турбинами…
Сама BMW объясняет значение TwinPower Turbo так: на бензиновых мотор под этим понятием скрывается сочетание турбонаддува Twin-scroll, прямого впрыска, а также систем Valvetronic и Double VANOS. Для дизельных двигателей TwinPower Turbo обозначает сочетание турбонагнетателя с изменяемой геометрией и системы впрыска топлива Common Rail. Таким образом можно сделать вывод, что TwinPower Turbo — не что иное как просто-напросто маркетинговый термин.
Немного про мотор N47.
Расскажу немного про мотор BMW N47. Этот 2-литровый дизельный двигатель был запущен в производство в 2007 году, имеет аж 10 модификаций и 8 степеней форсировки от 116 до 218 л.с. Устанавливался этот мотор на широкую гамму моделей, включающую в себя следующие:
1-серия: E81, E82, E87, E88, F20, F21 2-серия: F22 3-серия: E90, E91, E92, E93, F30, F31, F34 4-серия: F32, F33, F36 5-серия: E60, E61, F07, F10, F11 X1: E84 X3: E83, F25
Как видно, мотор N47 очень популярен. Проще было бы сказать, на какие модели этот мотор НЕ устанавливался.
Дизельный двигатель BMW N47
На фото выше представлена версия с одним турбокомпрессором с изменяемой геометрией. Twin-turbo схема использовалась только на двух модификациях этого мотора — N47D20T0 (204 л.с.) и N47D20T1 (218 л.с.). Именно модификация N47D20T1 установлена на моем автомобиле. В некоторых источниках можно встретить другое обозначение этой модификации — N47D20D.
Отличие BMW 320d от 325d (F-серия)
Модели BMW с обозначением 20d (120d, 320d, 520d и т.д.) всегда оснащались 4-цилиндровыми двигателями. А вот модели 25d были 4-цилиндровыми не всегда. Сильно далеко в историю я не полезу, расскажу только о тех модификациях, с которыми встречался сам. Так вот, на пятерке E60 525d до рестайлинга устанавливался рядный 6-цилиндровый двигатель объемом 2,5 л. После рестайлинга модель 525d скрывала под капотом также рядный 6-цилиндровый мотор, но уже объемом 3,0 л. Конструктивно это был тот же двигатель, что и на моделях 530d и 535d. На пятерке F10 525d этот 6-цилиндровый мотор продержался только до рестайлинга. После рестайлинга на 525d прописался 4-цилиндровый мотор N47. Печально конечно, что 25d — это больше не легендарный 3-литровый 6-цилиндровый дизель. Но что поделать, такова дань экологии и общей тенденции даунсайзинга двигателей внутреннего сгорания.
Итак, мы выяснили, что моторы на 320d и 325d установлены 4-цилиндровые. Остается разобраться с тем, одинаковые ли это моторы по железу. Первым делом разберемся с турбонаддувом.
BMW 325d (N47D20D): схема выпускного коллектора
Чтобы наверняка разобраться в том, сколько турбонагнетателей установлено на 320d и 325d, я открыл оригинальный каталог запчастей BMW и пробил по нему свой VIN и VIN от BMW 320d F30 (184 л.с.). Выше представлена схема выпускного коллектора двигателя N47D20D на BMW 325d. А ниже — такая же схема для N47D20C (N47D20O1) на BMW 320d:
BMW 320d (N47D20C): схема выпускного коллектора
По схемам отчетливо видно, что на 325d установлено два турбонагнетателя, т.е. используется схема Twin-turbo. В 320d — один турбонагнетатель с изменяемой геометрией. Кроме турбин, на этих моторах используются разные распредвалы (впуск и выпуск), а также выпускные коллекторы (обусловлено различными технологиями турбонаддува). Тем не менее, моторы имеют большую степень унификации, используются одинаковые: маховик, поршни-шатуны, механизм ГРМ (цепи верхняя и нижняя, натяжители).
Еще одно различие между двумя модификациями — у 320d одна выхлопная труба, у 325d — две. Почему? Опять же, смотрим схему:
Выхлопная система BMW 325d (N47D20D)
Выхлопная система BMW 320d (N47D20С)
По схемам выше видно, что различие заключается только в последней банке. Все остальное идентично.
Несколько слов о надежности двигателя N47.
Напоследок хочу сказать пару слов о конструктивных особенностях мотора N47. Интернет пестрит информацией о проблемах с этим дизельным двигателем. О том, что мотор этот крайне неудачный и проблемный. Главная его проблема — это цепь в приводе ГРМ. Считается, что цепной привод ГРМ — это необслуживаемый узел, который рассчитан на весь срок службы авто. Но есть очень много случаев, когда цепь ГРМ на моторе N47 растягивалась и требовала замены на совсем небольших пробегах, до 100 тыс. км и даже раньше. Главный симптом при этом это шум, который доносится из подкопанного пространства при работе мотора. Если этот шум вовремя не распознать, то цепь в конце концов порвется, и тогда мотор можно будет выбросить. Дополнительный геморрой заключается в том, что инженеры BMW решили расположить цепь ГРМ в задней части мотора (та, что ближе к салону, или это все-таки передняя?):
Цепной ГРМ в двигателе BMW N47
Так как мотор расположен продольно, то для замены цепи нужно его снять, иначе заменить цепь невозможно. Соответственно, процедура эта сложная и дорогая. На сайте BMW пишут, что такое расположение было использовано для лучшей защиты пешеходов при наезде. Интересно, что BMW так и не признала проблему с цепью ГРМ, как конструктивный недочет, и не объявляла сервисной кампании по этому поводу. Предположу, что такая сервисная кампания оказалась бы слишком дорогой, учитывая большую распространенность мотора N47. Если неполадки с цепью начинались в течение гарантийного срока, то цепь конечно меняли по гарантии. Но если это происходило уже после окончания гарантии, то владельцам предлагалось заменить цепь за свой счет. Для сравнения приведу пример VAG, где были аналогичные проблемы с цепью ГРМ на моторе 1,4 TSI. Проблема решилась банальной сменой поставщика цепей — оказалось, что они были недостаточно прочными. Тем не менее, сервисная кампания все-таки была проведена. Благо, для замены цепи снимать мотор не требовалось.
Две другие проблемы мотора N47 — это сложные и дорогие форсунки в топливной системе, а также пластиковые заслонки выпускного коллектора, которые со временем ломаются и их обломки могут попасть в турбонагнетатель и дальше прямо в цилиндры. Так или иначе, все вышеперечисленное не помешало этому мотору получить премию «Международный Двигатель Года» трижды (!), в 2008, 2010 и 2011 годах.
Какой вывод можно сделать из всего написанного выше? Самое главное, теперь можно авторитетно заявить, что никакой оригинально программы для двигателя BMW 320d (184 л.с.) от 325d НЕ СУЩЕСТВУЕТ! Моторы довольно серьезно отличаются по железу. Если вы решите делать чип-тюнинг на этом моторе, то имейте в виду, что версия 184 л.с. — это самая мощная заводская версия вашего мотора на сегодняшний день. Ни одна компания, занимающаяся чип-тюнингом, вам не скажет наверняка, как стороннее программное обеспечение повлияет на ресурс и надежность вашего двигателя. Это узнаете вы сами через пару лет, ну или новый владелец вашего авто.
P.S. Чуть не забыл! В 2015 году был проведен рестайлинг BMW 3-ей серии F30. Место мотора N47 занял новый модульный двигатель B47, который на BMW 320d теперь выдает 190 л.с. Посмотрим, как зарекомендует себя новый мотор.
© Evgen Dovnar