Двигуни TSI

Содержание

TSI™ - зареєстрована торгова марка концерну Volkswagen AG, під якою випускається лінійка бензинових двигунів з турбонаддувом. Силові агрегати встановлюються на автомобілі Volkswagen, Шкода та Сеат. У зв'язку зі збільшенням числа таких авто на українському ринку, багатьох діючих і потенційних їх власників цікавлять питання про особливості конструкції, переваги та недоліки моторів TSI.

Позначення турбованих двигунів

У 2004 р. VAG почав випуск двигунів з прямим упорскуванням палива (FSI - Fuel Stratified Injection), оснащених турбокомпресором. Для нового силового агрегату з'явилася нова абревіатура – TFSI (Turbocharged Fuel Stratified Injection – турбонаддув, пошарове упорскування палива). Вона досі використовується на автомобілях концерну Audi, що також входить до групи VAG.

У 2006 р. світло побачило черговий модернізований двигун із подвійною системою нагнітання повітря – турбіною та механічним нагнітачем. Це знайшло свій відбиток у позначеннях – місце «Turbocharged» зайняло слово «Twincharged» (подвійний наддув). Одночасно з нього зникло слово "Fuel", внаслідок чого і з'явилася абревіатура TSI (Twincharged Stratified Injection - подвійне наддув пошарове упорскування).

З 2008 р. в лінійку входять двигуни без додаткового контуру нагнітання, оснащені тільки турбіною. У зв'язку з цим була потрібна чергова зміна позначень - на шильдиках залишилася вже звичною абревіатура TSI, але розшифровка її тепер має вигляд Turbo Stratified Injection (турбо, пошарове упорскування).

Відповідно сьогодні двигун TSI – це силовий агрегат із системою турбонаддува та примусового упорскування палива, з додатковим контуром нагнітання повітря або без нього. Відмінності TSI від TFSI збереглися тільки на шильдиках, фактично це ті самі мотори, але для більш консервативних автомобілів Audi зберегли і традиційне позначення.

Лінійка двигунів TSI

Лінійка двигунів TSI включає кілька силових агрегатів, що розрізняються по конструкції, об'єму та потужності.

1.2-літровий двигун потужністю 90 або 105 к.с. оснащується лише турбокомпресором;
Турбований двигун 1.4 л. 122 або 140 к.с. також випускається без механічного нагнітача.

До силових агрегатів з подвійним нагнітанням відносяться:

3-циліндровий, об'ємом 1 л і потужністю 115 л.с;
1.4-літрові, що розвивають 150, 160 і 170 к.с;
152-, 160- та 180-сильні об'ємом 1.8 л.;
2л, 170, 200, 210 та 220 к.с;
3-літрова V-подібна "шістка" потужністю 333 (379) л.с.

Особливості конструкції та роботи двигуна TSI

Основна особливість більшості силових агрегатів – подвійна система нагнітання повітря. У ній встановлюються стандартний турбокомпресор, що рухається за рахунок потоку відпрацьованих газів і механічний нагнітач, з ремінним приводом від коленвала.

Конструкція та робота мотора з подвійним наддувом

Комбінація пристроїв нагнітання повітря призначена для отримання номінального моменту практично в повному діапазоні швидкостей обертання.

Механічний нагнітач представляє систему із двох роторів, розміщених в одному корпусі. Напрями обертання роторів протилежні (система типу Roots). Перший забезпечує примусове всмоктування повітря з трубопроводу, другий – його стиск та нагнітання у впускний колектор. Паралельно нагнітач встановлена заслінка, що забезпечує регулювання тиску в контурі.

Система, крім безпосередньо компресорів (турбіни та механічного) включає

набір датчиків вимірювальних тиск у трубопроводі повітря, що всмоктується, впускному колекторі, тиск наддуву;
керуючих виконавчих механізмів.

До останніх належать:

Магнітна муфта для включення та вимикання механічного нагнітача. Сигнал управління подається від СУ. За його наявності напруга надходить на котушку, рухомий сердечник переміщає фрикційний диск, що передає зусилля, що обертає, від шківа на ротор компресора. Нагнітач залишається в роботі доти, доки не буде знято сигнал керування.
Серводвигун, що служить для керування заслінкою, що регулює. Якщо заслінку закрито, весь потік повітря проходить через нагнітач. При повороті заслінки частина стисненого повітря з виходу компресора надходить на вхід, що призводить до зниження тиску наддуву. Якщо компресор вимкнено, заслінка переводиться в повністю відрите положення.
Клапан обмеження тиску призначений для керування перепускним клапаном, що регулює тиск наддуву турбіни. Спрацьовує він у разі, коли потік вихлопних газів розкручує турбокомпресор, і контур створюється надлишковий тиск наддуву. У цьому випадку сигнал від клапана обмеження надходить на вакуумний привід перепускного клапана, останній відкривається, направляючи частину потоку відпрацьованих газів повз турбіну.
Клапан рециркуляції працює при закритій дросельній заслінці (примусовий холостий перебіг). Його завдання – запобігти нагнітання повітря у просторі між виходом турбокомпресора та заслінкою.

Принцип роботи системи

Система подвійного нагнітання повітря працює у кількох режимах (залежно від кількості обертів двигуна):

Безнаддувний – холостий хід, швидкість до 1000 об/хв. У цьому режимі на магнітну муфту не подається керуючий сигнал, механічний нагнітач не включається, встановлена паралельно йому регулююча заслінка повністю відкрита. Потік відпрацьованих газів не може розкрутити турбіну до швидкостей, що забезпечують нагнітання.
Механічний наддув. Режим характерний для частоти обертання валу валу в діапазоні від 1000 до 2400 об/хв. У цьому режимі подається сигнал на магнітну муфту, що включає механічний нагнітач. Сервопривід закриває регулюючу заслінку. Зростає кількість обертів турбіни, забезпечуючи незначний додатковий стиск повітря. Тиск нагнітання становить близько 0.17 МПа.
Подвійний наддув від механічного та турбокомпресора (швидкість валу 2400-3500 об/хв). Основний тиск нагнітання створюється турбіною, що отримує достатню енергію потоку вихлопних газів. Механічний нагнітач починає працювати при різкому збільшенні навантаження, наприклад, при значних прискореннях і забезпечує додатковий стиск. Тиск нагнітання становить до 0.25 МПа.
Турбонаддув (3500 об/хв та вище). Енергії відпрацьованих газів достатньо, щоб турбіна створювала необхідний тиск наддуву. Механічний нагнітач не працює (заслінка повністю відкрита). Тиск становить близько 0.18 МПа.

За рахунок такої комбінації усувається характерний для турбованих двигунів т.зв. "ефект турбоями", коли на низьких оборотах енергії вихлопних газів недостатньо, щоб турбокомпресор забезпечував необхідний тиск нагнітання.

Силові агрегати TSI без механічного нагнітача

Для двигуна TSI Volkswagen без механічного нагнітача використовують практично традиційну схему з одним трубокомпресором. При цьому конструкція турбіни оптимізована для отримання високого моменту, що крутить, в широкому діапазоні швидкостей валу (практично від 1.5 тис. до 4 тис. об/хв). Досягається це за рахунок завдяки значному низькому моменту інерції деталей, що обертаються - за рахунок застосування матеріалів, що знижують вагу робочого колеса і зменшення його зовнішнього діаметра без втрати ефективності продуктивності.

Принцип роботи двигуна зберіг класичний варіант регулювання тиску нагнітання із перепускним клапаном. Основною особливістю системи стало застосування окремого контуру рідинного охолодження повітря, що нагнітається (у системах з подвійним наддувом використовується повітряне охолодження). При цьому охолоджувач (радіатор з алюмінієвих пластин з трубками для подачі рідини, що охолоджує) розміщений безпосередньо у вхідному колекторі.

Система упорскування

Для двигуна TSI Shkoda, Volkswagen, Seat та TFSI Audi реалізована система безпосереднього упорскування палива (в позначеннях виробника Stratified Injection – пошарове упорскування). Фактично, вона є аналогом системи GDI (Gasoline Direct Injection - безпосереднє упорскування бензину), вперше застосованої на авто японського виробника Mitsubishi.

Основною перевагою найбільш прогресивної системи для бензинових моторів вважається значне скорочення витрати палива (може досягати 15%) при зниженні у вихлопі концентрації небезпечних речовин.

Влаштування системи

До складу системи входять 2 контури:

Низький тиск (тиск 0.05-0.5 МПа) – паливний бак із встановленим паливним насосом, фільтр та датчик низького тиску.
Високого тиску.

У контур високого тиску входять:

Паливний насос високого тиску (ТНВД). Пристрій забезпечує подачу палива під тиском від 3 до 11 МПа на паливну раму і далі у форсунки. Насос плунжерного типу, наводиться від розподільного валу ГРМ, що працює на впускні клапани.
Регулятор тиску призначений для дозування подачі.
Датчик високого тиску передає інформацію в БО, який формує сигнали на керування ТНВД та регулятором.

Робота системи

Хоча в назві системи використовується лише термін «пошаровий упорскування», вона забезпечує, залежно від режиму роботи силового агрегату, кілька видів утворення паливо-повітряної суміші:

Пошарове, характерне для роботи двигуна у великій частині діапазону – на середніх та малих швидкостях. При цьому дросельна заслінка відкрита практично повністю, впускні закриті. Повітря, що нагнітається в камери згоряння, за рахунок високої швидкості, утворює вихор. Упорскування палива проводиться на кінцевому відрізку такту стиснення. При цьому в області іскрового проміжку свічки утворюється обмежений об'єм збагаченої суміші (коефіцієнт надлишку повітря – 1.5-3). Навколо вогнища займання залишається обсяг незмішаного з паливом повітря, що забезпечує теплоізоляцію.
Стехіометричне гомогенне (легкозаймисте однорідне) для значних навантажень і швидкостей валу. Заслінки відкриті, як дросельна (відповідно до натискання педалі газу), так і впускні. Паливо подається на такті впуску. В результаті утворюється однорідна паливо-повітряна суміш з коефіцієнтом запасу повітря 1. Згоряння відбувається у всьому обсязі камери

Збіднене гомогенне для проміжних режимів роботи. Утворення суміші відбувається при повному відкриванні дросельної при закритих впускних заслінках на такті впуску. Коефіцієнт надлишку повітря 1.5, суміш може додаватися частина (до 25%) відпрацьованих газів.

В результаті роботи в декількох режимах сумішоутворення досягається необхідна для кожного режиму роботи двигуна якість суміші та її згоряння, що підвищує ККД двигуна, забезпечує економію палива та зниження вмісту шкідливих речовин у відпрацьованих газах, дає деякий приріст потужності.

Переваги та недоліки силових агрегатів TSI

Мотори TSI не дарма протягом семи років отримували премії як найкращий двигун року. Це пов'язано з безліччю переваг:

Високою надійністю – за дотримання правил експлуатації заявлений виробником ресурс двигуна TSI становить 300 тис. км.;
Економічність - порівняно з атмосферними двигунами забезпечує зниження витрати палива до 15%;
Високою потужністю при скромних об'ємах двигуна - так, 1.2-літровий мотор розвиває максимальну потужність в 105 л.
Поліпшеним тяговим характеристикам (формі кривої моменту) - полиця максимального моменту захоплює від 1.5 до 4.5 тис. об./хв., тобто. практично весь робочий діапазон для більшості водіїв.
Екологічності - за змістом шкідливих речовин у вихлопі мотори лінійки перевершують практично всі ан6алогічні вироби конкурентів.

У той же час і власники авто, і фахівці сервісних центрів говорять про характерні недоліки силових агрегатів. До них відносять:

Високі вимоги до якості палива та мастильних матеріалів – при використанні бензину та масел низької якості надійність двигуна різко знижується, ресурс із заявлених 300 тис. км просідає до 100-150 тис.
Необхідність частої заміни олії. За словами фахівців СТО, оптимальний проміжок між такими замінами становить близько 10 тис. км пробігу. Інакше можливі проблеми.
Високий рівень споживання олії. Паспортні дані – 0,5-1 на 100 км пробігу. При такому споживанні неминуче утворення нагару в іскрових проміжках свічок, іноді спостерігається закоксовування.
Основні проблеми двигунів TSI перших серій пов'язані з ланцюгом приводу ГРМ. Вони пов'язані як з низькою надійністю натягувача, так і з розтягуванням та зносом безпосередньо ланцюга. В результаті, якщо не помітити ознаки несправності вчасно, ланцюг перескакує зуби, що призводить до «втикання» клапанів у поршні. Потрібна заміна головки блоку циліндрів, а такий ремонт двигуна TSI порівняємо за вартістю з покупкою та встановленням нового агрегату.

Більшість подібних проблем позбавлені двигуни наступного покоління 1.2 TSI, 1.4 TSI серії ЕА211; 1.8 TSI та 2.0 TSI серії ЕА888 Gen.3.