Введение в суть вопроса

Количество мнений и холивара о турбо-таймерах и всём, что с ними связано, безусловно зашкаливает. Достаточно зайти на любой автолюбительский форум или канал, и вы непременно наткнетесь на жаркие обсуждения, как правило, не подкрепленные ничем, кроме слухов, домыслов и откровенного бреда.

Не смогу сделать абсолютно однозначных выводов в этом очерке и я – слишком уж эта тема зависит от конкретного авто, его конструкции, эксплуатационных режимов и предпочтений водителя. Но кое-какую ясность внести все-же получится.

Итак, что-же же оно такое — турбо-таймер. По названию уже понятно, что это связано с турбо-нагнетателем, известным так-же как турбо-компрессором, турбо-наддувом, турбиной, турбой и т.д.

Идея проста. Турбина использует кинетическую энергию выхлопных газов и осуществляет наддув, то есть принудительное нагнетание воздуха в двигатель с целью его всережимной форсировки. Больше воздуха, значит больше топлива, значит больше крутящего момента и, соответственно, мощности.

Классический турбо-нагнетатель состоит из двух основных узлов — турбины и компрессора, посаженных на общий вал. Воздействуя на турбину, поток выхлопных газов раскручивает её. Крутящаяся турбина, через общий вал, передает энергию вращения на компрессор, нагнетающий воздух в двигатель.

Я намеренно все упрощаю и опускаю массу интересных технических моментов в работе и конструкции турбины, ибо к сути материала они отношения не имеют. Информация эта подробно расписана на той-же Википедии.

Турбо-нагнетатель, особенно турбина, очень сильно нагревается потоком раскаленных выхлопных газов, и под высокой нагрузкой, может раскаляться докрасна, а именно, свыше 900 градусов по Цельсию. Вал турбины при этом может вращаться с частотой свыше далеко за 100-150 тысяч оборотов в минуту. Подшипники вала турбо-нагнетателя являются наиболее термонапряженной частью двигателя, которая смазывается и охлаждается моторным маслом. Этот факт накладывает комплексные требования к узлам нагнетателя и моторному маслу. Исторически, эти требования долгое время были сдерживающими технологическими факторами, препятствующими массовому внедрению турбированных двигателей.

Во время работы двигателя, масляный насос энергично прокачивает масло через подшипники турбины. За короткое время пребывания в зоне разогретого узла подшипников, масло не успевает существенно нагреться. События разыгрываются по совершенно другому сценарию, когда водитель глушит двигатель и поток масла прекращается. Некоторый объем моторного масла, теперь уже застывший без движения внутри подшипников турбины начинает быстро разогреваться до безумных температур, поглощая тепловую энергию раскаленных узлов нагнетателя.

Дабы не отходить от темы и не углубляться в тонкости спецификаций моторных масел (а это на самом деле целая наука), скажу, что даже самые крутые синтетические масла начинают стремительно окисляться и полимеризоваться уже при температурах близких к 160 градусам по Цельсию, а ширпотреб и того ниже. Здесь будет очень уместно упомянуть, что на многих современных, даже атмосферных моторах (особенно европейских), температура масла вплотную приближается к этим числам во время некоторых, штатных, режимах работы двигателя. Например во время ползания (привет европейцам) по пробкам, управляемый термостат поднимает температуру двигателя до 110 градусов, ибо это позволяет, формально, уложиться в современные требования по токсичности выхлопа. А масло, как известно, всегда горячее двигателя градусов на 10-20.

Остывающая остановленная турбина разогревает масло в ней до сотен градусов. В итоге масло химически разрушается, полимеризуется, постепенно засоряя подшипниковый узел продуктами распада. В простонародье — закоксовывает все к чертям. В результате смазка и охлаждение подшипников становится все более затрудненными, износ уплотнительных колец повышенным, что заканчивается течью масла (и в выхлоп и во впускной тракт) и в итоге ведет к преждевременной смерти турбины и ряду сопутствующих проблем. К примеру может появиться детонация и проблемы с каталитическим нейтрализатором в системе выхлопа, ибо не любит он масла.

Вдобавок ко всему, весь двигатель начинает страдать из-за все большей концентрации термически убитого масла в общей его массе. Плохое масло в высоко-нагруженном спортивном турбо-движке — это же мечта хозяйки!

Взгляните на фотографию вала и уплотнительных колец новой турбины, и отложений перегретого масла на систематически перегретой:

И тут на выручку приходит турбо-таймер. Простое устройство, которое продержит двигатель припаркованного (и запертого) авто работающим заданное время (несколько минут), и затем автоматически заглушит его. По идее, за эти несколько минут турбина остынет и последующий тепловой шок для заключенного в ней масла будет исключен.

Нюансы

Вроде все логично. Так-то оно так, но есть большое количество нюансов, которые нельзя игнорировать.

К примеру, подавляющее большинство современных турбо-нагнетателей дополнительно охлаждается охлаждающей жидкостью (антифризом). Подобный подход не только снижает термические нагрузки на детали нагнетателя и масло во время работы, но и может помочь, при условии продуманного подвода охлаждающей жидкости, с перегревом масла в турбине после остановки двигателя. Под продуманным подходом я имею в виду создание условий для циркуляции воды самотеком, в результате конвекции, или установку электрического водяного насоса, обеспечивающего принудительную циркуляция воды некоторое время после остановки двигателя. Однако эти элегантные решения имеют место далеко не на всех двигателях, оснащенных водяным охлаждением турбины. Причина банально проста — так дешевле.

Экспериментальные данные и технические решения

Чтобы не быть голословным, я прошерстил интернет в поисках научных работ и другой достоверной информации касательно охлаждения нагнетателей.

Информация, представленная в этой статье основывается на следующих источниках:

• M. Ziabasharhagh, Experimental thermal investigation of turbocharger in internal combustion engine and considering effect of electrical water pump on heat soak test, Project: Conjugate heat transfer and fluid flow analysis of turbocharger, 2018
• I. Miyata, S. Hirano, M. Tanada, K. Fujimoto, Mechanism of turbocharger coking in gasoline engines, SAE, Technical Paper 2015-01-2029, 2015

Наиболее интересные результаты получены в результате ряда экспериментов на старомодном турбированном бензиновом двигателе объемом 1.7 литра. На корпус турбо-нагнетателя и в выходной патрубок охлаждающей жидкости были установлены несколько термопар, показания которых фиксировались аппаратурой. На графиках ниже по две вертикальные оси. Левая для температур, правая для оборотов двигателя.

Взглянем на график температур с обеих сторон улитки турбины, после продолжительной работы мотора на 5500 об/мин и резкой остановки оного:

В момент останова мотора (t=25s) температуры сторон улитки составляли около 820 и 720 градусов. Разница обусловлена физическим расположением турбины – она повернута одной стороной к двигателю, затрудняющему охлаждение обтекаемым воздухом.

А теперь взглянем, что происходит в это-же самое время с охлаждающей жидкостью на выходе из рубашки подшипникового узла турбо-нагнетателя:

За одну минуту после глушения мотора температура охлаждающей жидкости достигает 130 градусов. Антифриз кипит при температуре выше 100 градусов, а давление в системе поднимает точку кипения еще выше. Предположу что при 130 градусах уже начинается кипение, после чего температура начинает спадать.

Давайте теперь поглядим на график температур подшипникового узла со стороны турбины (горячая сторона) и компрессора (холодная сторона), а также улитки компрессора. Снова — резко глушим двигатель после продолжительной работы на 5500 об/мин:

Ожидаемо, тепло от раскаленной турбины начинает перетекать в подшипниковый узел и компрессор. Горячая часть подшипникового узла, устаканившаяся на 155 градусах (что уже слишком много для масла), через 3-4минуты после останова мотора достигает 220 градусов. Маслу, заключенному в узле кранты, без вариантов.

Теперь повторим эксперимент, но в этот раз, после устоявшейся работы мотора на оборотах, дадим ему потарахтеть на холостом ходу одну минуту, после чего заглушим:

Как видно, температура компрессора быстро падает и стабилизируется со сбросом оборотов и работой на холостых, утягивая вниз на 20 градусов обращенную к себе часть подшипникового узла. А вот подшипник обращенный к раскаленной турбине остывает куда медленнее, всего на 6-7 градусов за минуту работы на холостых. После того, как мотор заглушен, все элементы турбо-нагнетателя, включая подшипниковый узел, масло и вода в нем, опять же, ожидаемо, начинают разогреваться, впитывая в себя тепло горящей турбины. Горячая сторона узла достигает пиковой температуры в 180 градусов через 5 минут после глушения двигателя, после чего начинает неспешно остывать.

Что-ж, несомненно, 180 куда лучше 220. Хотя в данном случае и 180 все еще недостаточно хорошо.

К сожалению в работе не приводится данных о более продолжительной работе на холостых оборотах. Зато нашлась картинка из мануала Lexus по эксплуатации турбированного двигателя Toyota 8AR-FTS:

Мануал рекомендует не глушить двигатель сразу, а дать ему поработать на холостых на время от 20 секунд до трёх минут, в зависимости от условий эксплуатации перед остановкой — от неспешного городского ползания до быстрой езды вверх по затяжному подъему соответственно.

Весьма вероятно, что за 3 минуты холостых разогретая турбина потеряет достаточно тепла, чтобы не жарить масло после остановки двигателя.

Собственно автоматизацию этой процедуры и берет на себя турбо-таймер. Разве что время работы на холостых будет постоянным и задаваться на этапе настройки устройства.

В качестве альтернативного решения проблемы, как я уже упоминал, можно попытаться обеспечить активный отвод тепла от подшипникового узла. Например установить небольшой электрический насос, который будет принудительно гонять воду через рубашку. В случае с мотором 1.7 литра, рассмотренном выше, установка дополнительной помпы от турбированного движка 1.6 литра для Mini Cooper, принесла ощутимые плоды.

А конкретно, температуры подшипникового узла и компрессора после резкой остановки работавшего на оборотах двигателя:

Совсем другое дело! Температура идет только вниз.

Температура воды на выходе из турбины:

Резкий рост после выключения двигателя и стремительное падение после включения помпы. Поток воды составляет около 5-6 литров в минуту, т.е. помпа ватт на 30-40, не больше.

Ну и наконец графики температур после 8 минут работы помпы и последующей ее остановки:

Как видно, температура подшипников опять растет после прекращения активного охлаждения, достигая примерно 120 градусов в пике, что, в общем, довольно неплохо.

А вот Subaru, к примеру, пошли другим путем. До 2002 года инструкции по эксплуатации турбо моторов компании включали в себя процедуры, схожие с рекомендациями Lexus, которые я привел выше. Но в 2002 этот пункт просто исчез, сменившись следующей заметкой в бюллетенях, разосланным в сервис центры Subaru:

Заметка гласит, что FHI (Fuji Heavy Industries – так до 2016 года называлась Subaru Corporation) не рекомендует более производить охлаждение турбо-нагнетателя на холостом ходу, как это принято было делать на предыдущих поколениях турбо-моторов компании.

После остановки двигателя, охлаждающая жидкость в рубашке подшипникового узла начнет закипать и испаряться. Пузыри пара затем прямиком попадают в расширительный бачок системы охлаждения двигателя, который является наивысшей точкой всей системы охлаждения. Выходящий из рубашки нагнетателя пар увлекает за собой поток жидкости из правой головки блока цилиндров. Таким образом организуется самоподдерживающаяся циркуляция жидкости через турбину, и процесс этот продолжается, пока все это дело не остынет, и кипение в нагнетателе не прекратится.

Не вижу причин не доверять бюллетеню. Хотя из любопытства попытался, но не смог найти графиков температуры остывающей турбины на движках Subaru. Но зато пришла в голову идея произвести такой замер самому, на своем Subaru FA20DIT и самолично убедиться в работе системы.

Но это займет некоторое время, потому что на турбе установлен теплоотражающий экран и находится она в довольно недоступном месте. Вероятно смогу произвести замер при смене масла.

Однако, прислушавшись к ней после останова мотора, сквозь потрескивания и пощелкивания остывающего мотора, явно можно услышать неторопливое бурление.

Так какой вывод, то?

Какие выводы можно сделать на основании всего вышесказанного? Неоднозначные. Нужно смотреть на технические нюансы и эксплуатационные режимы конкретного авто, и принимать решение о необходимости установки турбо-таймера на их основе.

Возможно производитель вашего авто уже позаботился о температуре турбины после остановки двигателя. А может в 99 случаях из 100 вы неспешно катитесь в поисках парковки перед остановкой двигателя, и турбина успевает подостыть к этому моменту? Тогда турбо-таймер определенно бесполезен.

А может наоборот, вы часто наваливаете на не слишком-современном турбо-корче, а потом моментально паркуетесь и идете по делам? Ну или просто обладает авто, с известной склонностью жарить масло в турбине? Тогда турбо-таймер может оказаться весьма удобным и полезным.

Для себя лично я не вижу никакой нужны в турбо-таймере. Для успокоения души не наваливаю последние пару минут езды, неспешно паркуюсь и к этому моменту турбина гарантировано остывает, насколько это возможно на работающем двигателе. А дальше доверяю дело великолепно спроектированной системе охлаждения самотеком.

Так что всем интересующимся вопросом рекоммендую читать, анализировать, разбираться в предпочтениях и делать правильные выводы.

Если дойдут руки померить температуру турбы, то обязательно обновлю материал.