Для чего применяется наддув двигателя
Наддув двигателей внутреннего сгорания, турбонаддув
Схемы наддува
Для обеспечения наддува необходим компрессор, который должен сжимать воздух и нагнетать его в двигатель. Для работы необходимо вращать вал компрессора. Для привода компрессора можно использовать разные схемы.
Трубонаддув
Для вращения вала компрессора можно использовать энергию отработавших газов, добавив в систему турбины. Выхлопные газы будут вращать турбинное колесо, установленное ка одном валу с компрессорным колесом. Компрессор, в свою очередь будет сжимать воздух и подавать его в двигатель. Такая схема называется турбонаддувом. По сравнению с приводным нагнетателем турбонаддув обладает большей задержкой, так как связь между двигателем и системой наддува не жесткая.
Как работает турбонаддув?
Смесь воздуха и топлива поступает в цилиндр двигателя, смесь сжимается при движении поршня вверх, затем она воспламеняется, из-за расширения газов, поршень вытесняется вниз. Двигаясь он вращает коленвал. Затем при движении воздуха вверх, через открывшиеся клапаны отработанные газы поступают в выходной коллектор.
Поток газов имеет некоторую остаточную энергию достаточную для вращения рабочего колеса турбины. Частицы газа воздействуют на лопатки турбинного колеса, заставляя его вращаться. Турбинное и компрессорное колесо установлены на одном валу. При вращении турбины вращается и компрессор. В компрессоре лопатки рабочего колес воздействуют на воздух, попадающий из атмосферы. В результате этого воздействия частицы воздуха начинают вращаться вместе с колесом. При высокой скорости вращения частицы воздуха будут отбрасываться к периметру колеса в спиральный отвод и принудительно нагнетаться в во впускной коллектор, а затем и в полость цилиндра.
Комбинированные схемы
Сжатие воздуха может быть не одноступенчатым, а двухступенчатым. Причем рабочее колесо компрессора приводится во вращение турбиной, а для привода второй ступени используется механическая передача, соединенная с коленвалом. Такая схема позволяет сочетать достоинства приводного нагнетателя и турбонаддува, и делает работ у двигателя более приемистой. Однако недостаток приводного нагнетателя в виде плохой экономичности также никуда не пропадает.
Двухступенчатым может быть не только компрессор, но и турбина. Вторая ступень может использовать для привода во вращение вентиляторов и других вспомогательных устройств, или быть соединена с коленвалом.
Дизель-турбина
На некоторых режимах работы турбина может развивать мощность достаточную для ее применения в качестве первичного двигателя.
В этом случае двигатель и компрессор связывают механически, а между двигателем и турбиной осуществляется газовая связь. Подобный агрегат называют дизель-турбиной. Такая схема эффективна при очень высоких температурах отработанных газов. Для обеспечения надежности работы турбины рабочую температуру приходится снижать, что негативно сказывается на КПД агрегата.
Охлаждение при наддуве, для чего нужен интеркулер?
В процессе сжатия воздух нагревается, теплый воздух имеет меньшую плотность чем холодный. Плотный холодный воздух позволит повысить эффективность работы двигателя, поэтому для отвода ненужного тепла, используется интеркулер.
Регулирование турбонаддува
Мощность наддува на некоторых режимах может быть избыточна, то есть воздух может сжиматься слишком сильно. Поэтому работу наддува нужно регулировать.
Для ограничения подачи компрессора можно установить на его входе или выходе сопротивление, в виде шайбы с отверстием расчетного диаметра. При увеличении расхода через отверстие сопротивление будет расти, что в свою очередь будет затруднять поступление воздуха в компрессор и или выход из него, за счет этого будет ограничиваться подача воздуха в двигатель.
Подобное сопротивление можно установить и перед турбиной. Но установка сопротивления увеличивает потери, что отрицательно скажется на КПД.
Для того, чтобы сбрасывать часть воздуха только при определенном давлении на выходе компрессора можно установить предохранительный клапан. Запорный элемент клапан поджат пружиной, когда усилия от давления воздуха будет достаточно, чтобы сжать пружину клапан откроется и сбросить часть воздуха обратно в атмосферу.
Перепускной клапан
Вестгейт или перепускной клапан позволяет пустить часть отработанных газов в обход турбины. Запорный элемент клапана поджат пружиной.
Давление отработанных газов воздействует на запорный элемент клапана, с другой стороны на него действует усилие пружины. Когда усилие от давления газов будет выше чем усилие пружины, клапан откроется и пропустить часть газов в обход пружины. Это достаточно простая и эффективная схема регулирования, которая применяется на большинстве современных двигателей с турбонаддувом. Однако часть энергии тратится впустую, что снижает КПД. Конечно можно направить поток газа не в выхлопную систему, а на другую турбину, для привода вспомогательных механизмов, но это усложнит конструкцию и сделает ее более дорогой.
Наддув двигателя (двс)
Задача повышения мощности и крутящего момента двигателя была актуальна всегда. Мощность двигателя напрямую связана с рабочим объемом цилиндров и количеством подаваемой в них топливо-воздушной смеси. Т.е., чем больше в цилиндрах сгорает топлива, тем более высокую мощность развивает силовой агрегат. Однако самое простое решение – повысить мощность двигателя путем увеличения его рабочего объема приводит к увеличению габаритов и массы конструкции.
Количество подаваемой рабочей смеси можно поднять за счет увеличения оборотов коленчатого вала (другими словами, реализовать в цилиндрах за единицу времени большее число рабочих циклов), но при этом возникнут серьезные проблемы, связанные с ростом сил инерции и резким увеличением механических нагрузок на детали силового агрегата, что приведет к снижению ресурса мотора. Наиболее действенным способом в этой ситуации является наддув.
Представим себе такт впуска двигателя внутреннего сгорания: мотор в это время работает как насос, к тому же весьма неэффективный – на пути воздуха находится воздушный фильтр, изгибы впускных каналов, в бензиновых моторах – еще и дроссельная заслонка. Все это, безусловно, снижает наполнение цилиндра. Ну а что требуется, чтобы его повысить? Поднять давление перед впускным клапаном – тогда воздуха в цилиндре “поместится” больше. При наддуве улучшается наполнение цилиндров свежим зарядом, что позволяет сжигать в цилиндрах большее количество топлива и получать за счет этого более высокую агрегатную мощность двигателя.
В ДВС применяют три типа наддува:
У каждого способа свои преимущества и недостатки, определяющие область применения.
Резонансный наддув
Как уже отмечалось в начале статьи, для лучшего наполнения цилиндра следует поднять давление перед впускным клапаном. Между тем повышенное давление необходимо вовсе не постоянно – достаточно, чтобы оно поднялось в момент закрытия клапана и «догрузило» цилиндр дополнительной порцией воздуха. Для кратковременного повышения давления вполне подойдет волна сжатия, «гуляющая» по впускному трубопроводу при работе мотора. Достаточно лишь рассчитать длину самого трубопровода, чтобы волна, несколько раз отразившись от его концов, пришла к клапану в нужный момент.
Эффекты наддува, создаваемые за счет колебаний напора воздушного потока, находится в диапазоне от 5 до 20 миллибар. Для сравнения: с помощью турбонаддува или механического наддува можно получить значения в диапазоне между 750 и 1200 миллибар. Для полноты картины отметим, что существует еще инерционный наддув, при котором основным фактором создания избыточного давления перед клапаном является скоростной напор потока во впускном трубопроводе. Дает незначительную прибавку мощности при высоких (больше 140 км/ч) скоростях движения. Используется в основном на мотоциклах.
Механический наддув
Механические нагнетатели (по англ. supercharger) позволяют довольно простым способом существенно поднять мощность мотора.
Имея привод непосредственно от коленчатого вала двигателя, компрессор способен закачивать воздух в цилиндры при минимальных оборотах без задержки увеличивать давление наддува строго пропорционально оборотам мотора. Но у них есть и недостатки. Они снижают КПД ДВС, так как на их привод расходуется часть мощности, вырабатываемой силовым агрегатом. Системы механического наддува занимают больше места, требуют специального привода (зубчатый ремень или шестеренчатый привод) и издают повышенный шум.
Существует два вида механических нагнетателей: объемные и центробежные.
Типичными представителемя объемных нагнетателей являются нагнетатель Roots и компрессор Lysholm.
Конструкция Roots напоминает масляный шестеренчатый насос. Два ротора вращаются в противоположные стороны внутри овального корпуса. Оси роторов связаны между собой шестернями. Особенность такой конструкции в том, что воздух сжимается не в нагнетателе, а снаружи – в трубопроводе, попадая в пространство между корпусом и роторами. Основной недостаток – в ограниченном значении наддува. Как бы безупречно ни были подогнаны детали нагнетателя, при достижении определенного давления воздух начинает просачиваться назад, снижая КПД системы. Способов борьбы немного: увеличить скорость вращения роторов либо сделать нагнетатель двух- и даже трехступенчатым.
Таким образом можно повысить итоговые значения до приемлемого уровня, однако многоступенчатые конструкции лишены своего главного достоинства – компактности. Еще одним минусом является неравномерное нагнетание на выходе, ведь воздух подается порциями. В современных конструкциях применяются трехзубчатые роторы спиральной формы, а впускное и выпускное окна имеют треугольную форму. Благодаря этим ухищрениям нагнетатели объемного типа практически избавились от пульсирующего эффекта. Невысокие скорости вращения роторов, а следовательно, долговечность конструкции вкупе с низким шумом привели к тому, что ими щедро оснащают свою продукцию такие именитые бренды, как DaimlerChrysler, Ford и General Motors.
Объемные нагнетатели поднимают кривые мощности и крутящего момента, не изменяя их формы. Они эффективны уже на малых и средних оборотах, а это наилучшим образом сказывается на динамике разгона. Проблема лишь в том, что подобные системы очень прихотливы в изготовлении и установке, а значит, довольно дороги.
Еще один способ нагнетать во впускной коллектор воздух под избыточным давлением в свое время предложил инженер Лисхольм (Lysholm). Его детище окрестили винтовым нагнетателем, или «double screw» (двойной винт). Конструкция наддува Лисхольма чем-то напоминает обычную мясорубку.
Внутри корпуса установлены два взаимодополняющих винтовых насоса (шнека). Вращаясь в разные стороны, они захватывают порцию воздуха, сжимают и загоняют ее в цилиндры. Характерна такая система внутренним сжатием и минимальными потерями, благодаря точно выверенным зазорам.
Кроме того, винтовые наддувы эффективны практически во всем диапазоне оборотов двигателя, бесшумны, очень компактны, но чрезвычайно дороги из-за сложности в изготовлении. Однако ими не брезгуют такие именитые тюнинг-ателье, как AMG или Kleemann.
Центробежные нагнетатели по конструкции напоминают турбонаддув. Избыточное давление во впускном коллекторе также создает компрессорное колесо (крыльчатка). Его радиальные лопасти захватывают и отбрасывают воздух в окружной тоннель при помощи центробежной силы. Отличие от турбонаддува лишь в приводе. Центробежные нагнетатели страдают аналогичным, хотя и менее заметным инерционным пороком, но есть и еще одна важная особенность. Фактически величина производимого давления пропорциональна квадрату скорости компрессорного колеса.
Проще говоря, вращаться оно должно очень быстро, чтобы надуть в цилиндры необходимый воздушный заряд, порой в десятки раз превышая обороты двигателя. Эффективен центробежный нагнетатель на высоких оборотах. Механические «центробежники» не так капризны в обслуживании и долговечнее газодинамических собратьев, поскольку работают при менее экстремальных температурах. Неприхотливость, а следовательно, и дешевизна конструкции снискали им популярность в сфере любительского тюнинга.
Схема управления механическим нагнетателем довольно проста. При полной нагрузке заслонка перепускного трубопровода закрыта, а дроссельная открыта — весь поток воздуха поступает в двигатель. При работе с частичной нагрузкой дроссельная заслонка закрывается, а заслонка трубопровода открывается — избыток воздуха возвращается на вход нагнетателя. Входящий в схему охладитель наддувочного воздуха (Intercooler) является почти непременной составной частью не только механических, но и газотурбинных систем наддува.
При сжатии в компрессоре (либо в нагнетателе) воздух нагревается, в результате чего его плотность уменьшается. Это приводит к тому, что в рабочем объеме цилиндра воздуха, а, следовательно, и кислорода, по массе помещается меньше, чем могло бы поместиться при отсутствии нагревания. Поэтому сжатый воздух перед подачей его в цилиндры двигателя предварительно охлаждается в интеркулере. По своей конструкции это обычный радиатор, который охлаждается либо потоком набегающего воздуха, либо охлаждающей жидкостью. Понижение температуры наддувочного воздуха на 10 градусов позволяет увеличить его плотность примерно на 3%. Это, в свою очередь, позволяет увеличить мощность двигателя примерно на такой же процент.
Газотурбинный наддув
Более широко на современных автомобильных двигателях применяются турбокомпрессоры. По сути, это тот же центробежный компрессор, но с другой схемой привода. Это самое важное, можно сказать, принципиальное отличие механических нагнетателей от “турбо”. Именно схема привода в значительной мере определяет характеристики и области применения тех или иных конструкций. У турбокомпрессора крыльчатка-нагнетатель сидит на одном валу с крыльчаткой-турбиной, которая встроена в выпускной коллектор двигателя и приводится во вращение отработавшими газами. Частота вращения может превышать 200.000 об./мин. Прямой связи с коленвалом двигателя нет, и управление подачей воздуха осуществляется за счёт давления отработавших газов.
К достоинствам турбонаддува относят: повышение КПД и экономичности мотора (механический привод отбирает мощность у двигателя, этот же использует энергию отработавших газов, следовательно, КПД увеличивает). Не следует путать удельную и общую экономичность мотора. Естественно, для работы двигателя, мощность которого возросла за счет применения турбонаддува, требуется больше топлива, чем для аналогичного безнаддувного мотора меньшей мощности. Ведь наполнение цилиндров воздухом улучшают, как мы помним, для того, чтобы сжечь в них большее количество топлива. Но массовая доля топлива, приходящаяся на единицу мощности в час у двигателя, оснащенного ТК, всегда ниже, чем у схожего по конструкции силового агрегата, лишенного наддува.
Турбонаддув дает возможность достичь заданных характеристик силового агрегата при меньших габаритах и массе, чем в случае применения “атмосферного” двигателя. Кроме того, у турбодвигателя лучше экологические показатели. Наддув камеры сгорания приводит к снижению температуры и, следовательно, уменьшению образования оксидов азота. В бензиновых двигателях наддувом добиваются более полного сгорания топлива, особенно на переходных режимах работы. В дизелях дополнительная подача воздуха позволяет отодвинуть границу возникновения дымности, т. е. бороться с выбросами частиц сажи.
Дизели существенно лучше приспособлены к наддуву вообще, и к турбонаддуву в частности. В отличие от бензиновых моторов, в которых давление наддува ограничивается опасностью возникновения детонации, им такое явление неведомо. Дизель можно наддувать вплоть до достижения предельных механических нагрузок в его механизмах. К тому же отсутствие дросселирования воздуха на впуске и высокая степень сжатия обеспечивают большее давление отработавших газов и их меньшую температуру в сравнении с бензиновыми моторами. В общем, как раз то, что нужно для применения турбокомпрессора. Турбокомпрессоры более просты в изготовлении, что окупает ряд присущих им недостатков.
При низкой частоте вращения двигателя количество отработавших газов невелико, соответственно, эффективность работы компрессора невысока. Кроме того, турбонаддувный двигатель, как правило, имеет т. н. «турбояму» (по-английски “turbo-lag”) — замедленный отклик на увеличение подачи топлива. Вам нужно резко ускориться — вдавливаете педаль газа в пол, а двигатель некоторое время «думает» и лишь потом подхватывает. Объяснение простое — требуется время, пока мотор наберет обороты, увеличится давление выхлопных газов, раскрутится турбина, с ней крыльчатка нагнетателя – и наконец, “пойдет” воздух. Избавиться от указанных недостатков конструкторы пытаются разными способами. В первую очередь, снижением массы вращающихся деталей турбины и компрессора. Ротор современного турбокомпрессора настолько мал, что легко умещается на ладони.
Снижение массы достигается не только конструкцией ротора, но и выбором для него соответствующих материалов. Основная сложность при этом- высокая температура отработавших газов. Металлокерамический ротор турбины примерно на 20% легче изготовленного из жаростойких сплавов, да к тому же обладает меньшим моментом инерции. До последнего времени срок службы всего агрегата ограничивала долговечность подшипников. По сути, это были вкладыши, подобные вкладышам коленчатого вала, которые смазывались маслом под давлением. Износ таких подшипников скольжения был, конечно, велик, однако шариковые не выдерживали огромной частоты вращения и высоких температур. Выход нашли когда удалось разработать подшипники с керамическими шариками. Однако достойно удивления не применение керамики – подшипники заполнены постоянным запасом пластичной смазки, то есть канал от штатной масляной системы двигателя уже не нужен!
Принцип действия VNT турбокомпрессора заключается в оптимизации потока выхлопных газов, направляемых на крыльчатку турбины. На низких оборотах двигателя и малом количестве выхлопных газов VNT турбокомпрессор направляет весь поток выхлопных газов на колесо турбины, тем самым увеличивая ее мощность и давление наддува. При высоких оборотах и высоком уровне газового потока турбокомпрессор VNT располагает подвижные лопатки в открытом положении, увеличивая площадь сечения и отводя часть выхлопных газов от крыльчатки, защищая себя от превышения оборотов и поддерживая давление наддува на необходимом двигателю уровне, исключая перенаддув.
Комбинированные системы
Помимо одиночных систем наддува сейчас часто встречается и двухступенчатый наддув. Первая ступень — приводной компрессор — обеспечивает эффективный наддув на малых оборотах ДВС, а вторая — турбонагнетатель — утилизирует энергию выхлопных газов. После достижения силовым агрегатом достаточных для нормальной работы турбины оборотов, компрессор автоматически выключается, а при их падении вновь вступает в действие.
Ряд производителей устанавливают на свои моторы сразу два турбокомпрессора. Такие системы называют «битурбо» или «твинтурбо». Принципиальной разницы в них нет, за одним лишь исключением. «Битурбо» подразумевает использование разных по диаметру, а следовательно и производительности, турбин. Причем алгоритм их включения может быть как параллельным, так и последовательным (секвентальным). На низких оборотах быстро раскручивается и вступает в работу турбонаддув маленького диаметра, на средних к нему подключается «старший брат».
Таким образом, выравнивается разгонная характеристика автомобиля. Система дорогостоящая, поэтому ее можно встретить на престижных автомобилях, например Maserati или Aston Martin. Основная задача «твинтурбо» заключается не в сглаживании «турбоямы», а в достижении максимальной производительности. При этом используются две одинаковые турбины. Устанавливаются «твин-» и «битурбо» как на V-образные блоки, так и на рядные моторы. Варианты подключения турбин также идентичны системе «битурбо». В чем же смысл? Дело в том, что производительность турбины напрямую зависит от двух ее параметров: диаметра и скорости вращения. Оба показателя весьма капризны. Увеличение диаметра приводит к повышению инерционности и, как следствие, к пресловутой «турбояме». Скорость же турбины ограничивается допустимыми нагрузками на материалы. Поэтому две скромные и менее инерционные турбины могут оказаться эффективнее одной большой.
Рекомендации
Во-первых, вовремя меняйте масло и масляный фильтр. Во-вторых, используйте только масло, предназначенное для двигателей, оборудованных турбонаддувом, которое изначально рассчитано на более высокие температуры, чем обычное. Но в дороге всякое может случиться, и если вам пришлось залить неизвестное масло, то не гоните, двигайтесь потихоньку. Двигатель это масло переживет, а вот турбонаддув — не обязательно. Приехав домой, сразу же смените масло и масляный фильтр.
И, наконец, третье, самое главное условие нормальной работы турбонаддува. В жизни турбины есть два самых ответственных момента: запуск двигателя и его остановка. При запуске холодного двигателя масло в нем имеет высокую вязкость, оно с трудом прокачивается по зазорам; еще не установились тепловые зазоры; нагрев разных деталей компрессора, а следовательно, и тепловое расширение, идут с разной скоростью. Поэтому не спешите, дайте двигателю прогреться.
Если вам надо остановиться, никогда не глушите двигатель сразу. В зависимости от режима езды дайте ему поработать на холостом ходу 2-5 минут (зимой можно дольше). За это время вал турбины снизит обороты до минимальных, а детали, непосредственно соприкасающиеся с выхлопными газами, плавно остынут. В этой ситуации значительно облегчает жизнь турбо-таймер. Он проследит за тем, чтобы разгоряченный двигатель автомобиля поработал несколько минут на холостом ходу, остужая элементы турбонаддува, даже если владелец уже покинул и закрыл своё авто. Впрочем, подобную функцию имеют и многие охранные сигнализации.
Виды наддува двигателей внутреннего сгорания
Задача повышения мощности и крутящего момента двигателя была актуальна всегда. Самое простое решение — увеличить рабочий объем: чем больше сгорает топлива, тем выше мощность. Однако при этом существенно увеличиваются габариты и масса конструкции.
Альтернативный подход — оставить рабочий объем двигателя прежним, но подавать в единицу времени больше топлива. Увеличить подачу бензина несложно, особенно, в системах впрыска. Но при этом для сохранения состава топливной смеси необходимо пропорционально увеличить и количество подаваемого в двигатель воздуха. Возможности двигателя самостоятельно всасывать воздух ограничены, поэтому не обойтись без специального устройства, повышающего давление и, следовательно, количество воздуха на впуске. Эти устройства обычно называют нагнетателями или компрессорами.
Механический нагнетатель
Механические нагнетатели применялись в автомобильных двигателях еще в 30-е годы, тогда их чаще всего называли компрессорами. Сейчас этот термин обычно относят к турбокомпрессорам, о которых речь пойдет ниже. Конструкций механических нагнетателей довольно много, и интерес к ним разработчики проявляют до сих пор. На рисунках 1-4 представлены схемы некоторых устройств, принцип работы которых не требует дополнительных пояснений.
Нагнетатель Comprex уже опробован несколькими автомобильными производителями, а Mazda использует его на одном из своих серийных двигателей с 1987 года.
При вращении вала внутренняя спираль совершает колебательные движения и между неподвижной (корпус ) и обегающей (вытеснитель ) спиралями образуются серпообразные полости, которые движутся к центру, перемещая воздух от периферии и подавая его в двигатель под небольшим давлением. Количество перемещаемого воздуха зависит от частоты вращения коленчатого вала двигателя.
Система имеет сравнительно высокий (около 65%) КПД. Трущихся частей почти нет, поэтому износ деталей незначителен. Установленный на двигателе Polo нагнетатель G40 (40 и 60 в маркировке нагнетателей Volkswagen — это ширина спиральных камер в миллиметрах) имеет внутреннюю степень сжатия 1,0; максимальное давление наддува составляет 0,72 бар. При номинальной частоте вращения ротора 10200 об./мин. за один оборот подается 566 см куб. воздуха, т. е. почти 6000 л/мин.
Входящий в схему охладитель наддувочного воздуха (Intercooler ) является почти непременной составной частью всех, не только механических, систем наддува. При сжимании воздух, как известно, нагревается, а его плотность и, соответственно, количество кислорода в единице объема уменьшаются. Больше кислорода — лучше сгорание и выше мощность. Поэтому перед подачей в двигатель сжатый нагнетателем воздух проходит через охладитель, где его температура снижается.
Преимущества спирального нагнетателя, как и большинства компрессоров с механическим приводом: достаточно большой крутящий момент и повышенная мощность двигателя при низких оборотах, быстрая, практически мгновенная реакция на нажатие педали газа. Недостатки: относительная сложность и нетехнологичность конструкции, большие потери в приводе.
Турбокомпрессор
Более широко на современных автомобильных двигателях применяются турбокомпрессоры. Они более технологичны в изготовлении, что окупает ряд присущих им недостатков.
Выбранная схема привода (газовая вместо механической) определяет основные недостатки турбокомпрессора. При низкой частоте вращения двигателя количество отработавших газов невелико, соответственно, эффективность работы компрессора невысока. Кроме того, турбонаддувный двигатель, как правило, имеет т. н. «турбояму » — замедленный отклик на увеличение подачи топлива. Вам нужно резко ускориться — вдавливаете педаль газа в пол, а двигатель некоторое время думает и лишь потом подхватывает. Объяснение простое — требуется время на раскрутку турбины, которая вращает компрессор. На рис. 9 показана реакция нагнетателей различных типов на увеличение числа оборотов двигателя. Приведенные кривые относятся к дизелю, но их характер сохраняется и для бензинового двигателя. Хорошо видно, что самую медленную реакцию имеет турбокомпрессор, волновой нагнетатель реагирует быстрее, механический нагнетатель срабатывает практически мгновенно.
Избавиться от указанных недостатков конструкторы пытаются разными способами. В первую очередь, снижением массы вращающихся деталей турбины и компрессора. Ротор современного турбокомпрессора настолько мал, что легко умещается на ладони. Легкий ротор повышает эффективность компрессора при низких оборотах двигателя: например, у 2,0 л турбодвигателя SAAB 9000 уже при 1500 об./мин. увеличение крутящего момента за счет наддува составляет 20%. Легкий ротор, кроме того, обладает меньшей инерционностью, что позволяет турбокомпрессору быстрее раскручиваться при нажатии педали газа и уменьшает «турбояму ».
Снижение массы достигается не только конструкцией ротора, но и выбором для него соответствующих материалов. Поиск новых материалов для турбин ведется многими фирмами. Основная сложность — высокая температура отработавших газов. Преуспели больше всего в этой области, пожалуй, японцы — они уже давно занимаются керамикой для двигателей внутреннего сгорания. Монолитная турбина, изготовленная из спеченного карбида кремния, при той же механической прочности весит в 3 раза меньше обычной и, соответственно, обладает гораздо меньшей инерцией. Кроме того, в случае разрыва ротора разлетающиеся осколки будут много легче — это дает возможность сделать корпус компрессора более тонким и компактным. А недавно конструкторам Nissan впервые в мировой практике удалось создать крыльчатку нагнетателя из пластмассы. Из какой — неизвестно, но говорят, получилась очень легкая.
Избавиться от недостатков турбокомпрессора позволяет не только уменьшение инерционности ротора, но и применение дополнительных, иногда довольно сложных схем управления давлением наддува. Основные задачи при этом — уменьшение давления при высоких оборотах двигателя и повышение его при низких. Одна задача решается довольно легко: избыточное давление наддува на высоких частотах вращения уменьшается, как правило, с помощью перепускного клапана.
Другая задача сложнее. Полностью решить все проблемы можно было бы использованием турбины с изменяемой геометрией, например, с подвижными (поворотными ) лопатками, параметры которой можно менять в широких пределах. Такие турбины широко применяются в авиации и других областях техники. Но в крошечном роторе автомобильного компрессора механизм поворота лопаток разместить трудно.
Один из упрощенных способов — применение регулятора скорости потока отработавших газов на входе в турбину. В турбокомпрессоре Garrett VAT 25, который более подробно будет рассмотрен ниже, для этого используется подвижная заслонка.
Схема управления давлением наддува 2,0 и 2,3 литровых двигателей SAAB 9000 показана на рис. 10. Называется она APC — Automatic Performance Control. Система APC во всех режимах работы двигателя поддерживает давление наддува на максимально допустимом уровне, не доводя двигатель до детонации. Для этого использован датчик (knock sensor), по сигналу которого при возникновении детонации блок управления открывает установленный в турбине перепускной клапан, и часть отработавших газов направляется в обход турбинного колеса, что снижает давление наддува и устраняет детонацию. Помимо этого датчика в систему APC входят также и другие, измеряющие частоту вращения двигателя, нагрузку, температуру и октановое число используемого топлива — этими параметрами определяется порог детонации.
Использование APC позволило не только повысить степень сжатия 2,0 л двигателя до 9, но и сделало возможным использование топлива с низким октановым числом — до 91.
Топливная экономичность
Конечно, и с турбодвигателем можно ехать относительно экономично, но тогда зачем он нужен? Поэтому сегодня конструкторы пытаются решить непростую задачу: уменьшить расход топлива при сохранении высокой мощности. Попробуем рассмотреть разные подходы к этой проблеме, предложенные, например, инженерами Audi и Peugeot.
Одним из путей повышения экономичности двигателя, как известно, является увеличение степени сжатия. Но в двигателях с наддувом есть ограничение: наддув увеличивает компрессию, что приводит к возникновению детонации, особенно на высоких оборотах. Поэтому степень сжатия приходится искусственно снижать: в современном атмосферном двигателе она составляет около 10, а в двигателе с наддувом обычно не превышает 8.
Конструкторам Audi удалось в определенной степени это ограничение преодолеть: в 5-цилиндровом 20-клапанном двигателе Audi S2 и Audi S4 объемом 2,2 л и мощностью 230 л. с. степень сжатия доведена до 9,3 — это для турбомотора необычно много. Результат: средний расход топлива при 90 км/ч — 7,5 л, в городе — 14 л/100 км. Двигатель пришел со спортивной Audi 200. Созданный на этой же основе мотор Avant RS2 также имеет довольно высокую степень сжатия — 9, но при таком же объеме развивает мощность 315 л. с. (за счет изменения параметров наддува). В то же время расход топлива в городе составляет лишь 14,5 л/100 км.
Упоминавшийся выше турбированный 4-цилиндровый двигатель нового SAAB 9000 объемом 2,0 л тоже имеет степень сжатия 9. Мощность поменьше: 165 л. с., но и расход топлива на трассе менее 7, а в городе — около 12 л/100 км.
Сравните эти параметры, например, с данными для Porsche 968 Turbo S. Спортивная машина, на экономию топлива особого внимания не обращали. Рабочий объем 3 л, 4 цилиндра 2 клапана/цилиндр, степень сжатия 8, мощность 305 л. с., расход топлива в городе — не менее 18 л/100 км.
Получилось, в целом, неплохо. Своего максимального крутящего момента 288 Нм двигатель Peugeot достигает при 2600 об./мин., и это значение сохраняется до 4500 об./мин. При этом 90% величины момента расположены в диапазоне 2300-5200 об./мин. При объеме 2,0 литра двигатель развивает мощность 200 л. с. (5000 об./мин.), а расход топлива в городе составляет менее 12 л/100 км.
Overboost
Как правило, турбонаддувные двигатели имеют устройство Overboost, срабатывающее при резком нажатии на педаль газа и дополнительно повышающее давление наддува и максимальный крутящий момент двигателя (примерно на 10%). Это необходимо при резких ускорениях, например, при обгоне.
На Audi с компрессором К24 включение этого режима достигается, в общем, традиционно: при резком и полном открытии дроссельной заслонки срабатывает электронный блок управления, который быстро закрывает регулировочный клапан давления наддува. Весь поток отработавших газов направляется через турбину, давление наддува дополнительно увеличивается — Overboost. В этом режиме уже при 2100 об./мин. крутящий момент двигателя достигает 380 Нм.
Повышенный крутящий момент сохраняется в течение ограниченного времени: у Audi — 16 секунд, у Peugeot — 45 секунд, что почти идеально для выполнения обгонов. Чтобы не уродовать двигатель, режим Overboost не действует, если частота вращение двигателя превышает 6000 об./мин. (Audi ) или если включена 1-я передача (Peugeot ).
Во что обходится наддув
Бесплатным, как известно, бывает только ветер в камышах. За повышение мощности двигателей с наддувом приходится платить. И не только увеличением расхода топлива. Повышаются требования к его качеству — для большинства турбированных двигателей требуются бензины с октановым числом 96-98. Несмотря на то, что поршни, кольца, головки и шатуны усилены, ресурс двигателя ощутимо снижается, тем в большей степени, чем выше давление наддува. Можно считать, что в среднем ресурс двигателя с турбокомпрессором не превышает 100 тыс. км, а ресурс самого компрессора составляет около 10 тыс. часов. У механических нагнетателей он выше — около 25 тыс. часов. Для системы смазки турбокомпрессора требуются специальные масла, выдерживающие высокие температуры и частоты вращения более 100 000 об./мин. Температура в турбинной части компрессора доходить до 1000°С, поэтому его подшипники требуют дополнительного водяного охлаждения. Все изложенное для потребителя выливается в довольно значительное увеличение стоимости автомобиля и его обслуживания.
Для бензиновых двигателей массовых моделей наддув вряд ли можно считать удачным способом повышения мощности. Volkswagen, например, в этом году отказался от упоминавшегося выше наддувного двигателя на Polo. Более перспективными, особенно с точки зрения топливной экономичности, видимо, можно считать такие направления, как многоклапанная техника, совершенствование систем впрыска, переобеднение смеси и ее послойное распределение в цилиндрах.
Бензиновые двигатели с турбонаддувом — это, пожалуй, удел дорогих, со спортивным характером автомобилей. Maserati, например, может позволить себе выпускать все двигатели с системой наддува, да еще не с одним, а с двумя турбокомпрессорами — на V-образных двигателях. Такую конструкцию называют Twin Turbo. Запомнить легко — как Twin bed в гостинице. Иногда название трансформируется в Biturbo, что сути дела не меняет: турбокомпрессоры стоят параллельно и каждый обслуживает свою секцию цилиндров.
Такой автомобиль, как правило, могут приобрести немногие. Правда, при нынешней российской налоговой политике, когда приходится платить пошлину с объема двигателя, некоторые могут предпочесть турбированный вариант, благо они все еще имеются в каталогах большинства производителей. Дело вкуса. И денег. Кстати Mercedes-Benz и BMW, продукция которых у нас столь популярна, не имеют сегодня ни одного серийного бензинового турбодвигателя.
С экономической, экологической, да и многих других точек зрения весьма привлекательно выглядят турбированные дизели.