История создания турбокомпрессоров

    Схема  управления механическим нагнетателем  довольно проста (рис. 7). 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 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/турбонагнетатель. 

 Турбокомпрессор,  по большому счету - тот же  центробежный компрессор, но с  преимущественно  иным приводом. Частота вращения может быть  более 200.000 об./мин. Несомненный плюс: повышение КПД и экономичности мотора (механический привод отбирает мощность у двигателя, этот же применяет энергию отработавших газов, следовательно, КПД увеличивает). Минус - инерционность: "вдавил" резко газ и жди, пока мотор наберет обороты, умножится давление выхлопных газов, раскрутится турбина, с ней крыльчатка нагнетателя - и наконец, "пойдет" воздух. Но с этим явлением, называемым "турбо-яма" (по-английски "turbo-lag", что правильнее было бы перевести как "турбо-задержка" или "турбо-пауза"), научились бороться... 

 Вследствие  этого, кроме собственно агрегата  наддува, под капотом "поселились" два перепускных клапана: один - для отработавших газов, а  другой - чтобы перепускать излишний  воздух из коллектора двигателя в трубопровод до компрессора. Этот клапан также управляется давлением во впускном коллекторе. Таким образом, частота вращения ротора турбины при сбросе газа уменьшается незначительно, и при последующем нажатии на педаль задержка подачи воздуха составляет десятые доли секунды – это  время закрытия клапана. 

  Сегодня  стали применять такой способ  регулирования подачи воздуха,  как изменяемый угол наклона  лопаток компрессора. Идея давняя, а вот воплотить ее долго  не могли; в качестве примера  назовем новейший агрегат наддува "опелевских" дизелей "Экотек". 

 Еще одна  проблема применения турбин - это  их маленький срок жизни, хотя  в последнее время удалось  значительно увеличить это время.  Частота вращения ротора турбины  должна быть очень велика. До 150-200 тысяч об/мин. До последнего времени срок службы всего агрегата ограничивала именно долговечность подшипников. По сути, это были вкладыши, подобные вкладышам коленчатого вала, какие смазывались маслом под давлением. Изнашивание таких подшипников скольжения был, конечно, велик, однако шариковые не выдерживали огромной частоты вращения и высоких температур. Выход нашли не так давно, когда удалось создать подшипники с керамическими шариками. Сперва это сделали японские фирмы, а затем и шведский СКФ - и машины с такими подшипниками появились на дорогах. Однако достойно изумления не применение керамики - подшипники заполнены постоянным запасом пластичной смазки, то есть канал от штатной масляной системы двигателя не нужен! На очереди - металлокерамический ротор турбины, который примерно на 20% легче изготовленного из жаростойких сплавов, да к тому же обладает меньшим моментом инерции. 

 По своему  воздействию на характеристику  крутящего момента двигателя  турбокомпрессор схож с механическим  центробежным. Но "опосредствованная" система привода позволяет настраивать характеристики турбокомпрессора в более широком диапазоне, выравнивая изначальные дефекты кривой крутящего момента мотора. Турбины низкого и высокого давления на сравнительно "маломерных" двигателях Volvo, Volkswagen или Saab. 

 Что иметь  отношение "битурбо" и "твинтурбо"  вместо одной турбокомпрессорной  установки используются две - параллельно (бывает и последовательно,  но реже). Каждый ротор поменьше, полегче, менее инерционен, более  отзывчив. И управлять диапазонами их работы при последовательном наддуве можно по- разному, добиваясь нужной конечной характеристики. 

 Ротор турбокомпрессора  к сожалению нельзя сделать  большим! И все потому, что чем  больше диаметр турбины, тем  выше ее момент инерции. Стало  быть, даже если водитель при разгоне порезче надавит на педаль акселератора, быстрого ускорения все равно не получится: нужно будет ждать, пока турбина наберет соответствующие обороты. Следовательно, турбину следует сделать как можно мельче по диаметру. Но поступление воздуха зависит от окружной скорости лопаток, которая тем меньше, чем меньше диаметр ротора: Остается  только умножать обороты, хотя и тут есть ограничение, на этот раз со стороны допустимых нагрузок на материалы. Вот и используют несколько турбин с меньшим диаметром в параллель. 

 Интеркулер 

Изобретатели  всего мира постоянно придумывают  новые устройства для повышения  производительности турбокомпрессора. Например - интеркулер, он же промежуточный  охладитель.

При сжатии ух нагревается, и его плотность уменьшается. Таким образом в цилиндры закачивается воздуха меньше, соответственно качество газообмена и КПД двигателя снижаются. Необходимо охладить воздух, для этого используется интеркулер. Существует два основных вида - без промежуточного теплоносителя и с промежуточным теплоносителем. В первом случае воздух, поступающий в двигатель, охлаждается набегающим потоком воздуха. Такая система реализуется с помощью медных труб большого диаметра, распологающихся перед радиатором охлаждения двигателя. Система начинает работать с 30 км/ч, и не требует сложного оборудования, но очень громоздка, и чаще всего применяется на грузовиках. Во втором случае - с помощью теплоносителя (тосол, например) по системе радиаторов и с электоприводным насосом. Эта система поддается регулированию и является самой эффективной и компактной (и сложно-дорогой). Промежуточный охладитель, или по-английски интеркулер, не только увеличивает мощность двигателя, но и снижает тепловые нагрузки, уменьшает выбросы окислов азота и расход топлива.

Эффективность интеркулера выражается в его способности понижать температуру входящего потока. Если интеркулер охлаждает воздух до температуры окружающей среды - его эффективность составляет 100%, но чаще всего этого достигнуть не возможно. Поэтому большинство интеркулеров работают с эффективностью 70% - и это очень неплохо 

 Ответим на 5 самых распространенных вопросов  о компрессорах. 

 Вспомните,  как вы ощущали себя, выполнив  несколько десятков отжиманий  или пробежав три километра  кросса. Примерно то же самое  испытывает двигатель вашей машины, когда вы едете в гору или "летите" по шоссе. 

 Все больше  теперешних автомобилей получают "живительный" воздух, придающий  им дополнительную "силу", от  турбокомпрессора.  Хотя агрегат  использовался в автомобильных,  авиационных и других двигателях на протяжении почти всего века, всего лишь около десяти лет назад турбокомпрессоры еще считались лишь "игрушкой" для "экзотических" и "особо мощных" машин. 

 В совокупности  с растущем вниманием потребителя  в более высокой и экономичной  мощности современных автомобилей,  турбокомпрессоры аргументировали  свою высокую эффективность и  практичность. Одновременно с низкими, "прилизанными" аэродинамическими  формами кузовов современных машин их двигатели стали меньше, а упор стал делаться на топливную экономичность. 

 Концепция  турбированных систем такова: турбина  представляет собой воздушную  помпу приводящуюся в движение  выхлопными газами. За счет этого  увеличивается давление воздушного потока влетающего в двигатель, в следствии чего воздушно-топливная смесь попадает в двигатель и происходит повышение мощности. 

 В отдельных  автомобильных двигателях атмосферное  давление является максимально  возможным давлением при котором воздушный поток может попадать в двигатель. Количество сжигаемого топлива в цилиндрах ограниченно из-за количества воздуха попадающего в двигатель при атмосферном давлении (такие моторы не турбируются). 

 Двигатель  при одних о тех же оборотах  может вырабатывать больше мощности если в цилиндры будет попадать больше воздушно-топливной смеси. Большее количество воздушно-топливной смеси дает большее давление в цилиндре и большую отдачу. Это один из путей увеличения мощности двигателя. Турбированные двигатели производят мощности на 30-60% больше чем такой же двигатель без турбины. 

 Турбонагнетатель  это воздушный компрессор, который  вбирает воздух после чего  сжимает его и вдувает его  в двигатель (см. рисунок 1 турбо-  компрессора и на нем #1). Компрессор  раскручивается до 100.000 об/ мин. с помощью турбины (см. фото турбо-компрессора и на нем #2). Турбина с компрессором объединены с помощью вала (см. фото турбо- компрессора и на нем #3). Когда турбина начинает вращаться она вращает компрессор через вал. Турбина вертится за счет выхлопных газов идущих из двигателя, после чего выхлопные газы попадают в выхлопную систему. 

 Как уже  сказано выше турбокомпрессор  увеличивает эффективную мощность  двигателя на 30-60 процентов. То  есть, после его установки 4-цилиндровый  агрегат обеспечивает силовые параметры 6- и даже 8-цилиндровых двигателей, и все это при сохранении высокой экономичности! 

 1. КАКИМ ОБРАЗОМ ТУРБОКОМПРЕССОР УВЕЛИЧИВАЕТ МОЩНОСТЬ ДВИГАТЕЛЯ? 

 Мощность, развиваемая  двигателем, напрямую зависит от  количества воздуха и смешанного с ним топлива, которое подается в двигатель. Чтобы увеличить мощность двигателя, следует увеличить количество подаваемого воздуха и топлива. Подача большего количества топлива не даст эффекта до тех пор, пока не появится достаточное для его сгорания количество воздуха, в противном случае образуется избыток несгоревшего топлива, что приводит к перегреву двигателя, который к тому же при этом сильно дымит. 

 Турбокомпрессор  умножает мощность двигателя  путем подачи в него необходимого  количества сжатого воздуха, достаточного для абсолютного сгорания увеличенной дозы топлива. Следовательно, при прежнем рабочем объеме и тех же оборотах мы получаем большую мощность. Кроме того, улучшается процесс сгорания, что увеличивает характеристики двигателя в широком диапазоне чисел оборотов. 

2. КАК РАБОТАЕТ ТУРБОКОМПРЕССОР? 

  Стержневыми  частями любого турбокомпрессора  являются турбина и центробежный  воздушный насос, соединенные  между собой при помощи общей  жесткой оси. Оба этих элемента  вращаются в одном направлении и с одинаковой скоростью (причем огромной - примерно 100.000 об/мин!). Энергия потока проработавших газов, которая в обычных двигателях не используется, преобразовывается здесь в крутящий момент, приводящий в действие компрессор.

Исходящие из цилиндров  двигателя отработавшие газы передаются на крыльчатку турбины, которая перерабатывает их кинетическую энергию в механическую энергию вращения (крутящий момент). Компрессор (он представляет собой похожую крыльчатку, установленную на другом конце оси) затягивает свежий воздух через воздушный фильтр, сжимает его и подает в цилиндры двигателя. Количество топлива, которое можно смешать с воздухом, при этом можно увеличить, что позволяет двигателю развивать наибольшую  мощность. 

Бытует также  множество других конструкций турбокомпрессоров. 

3. НА КАКИЕ ДВИГАТЕЛИ  МОЖНО УСТАНОВИТЬ  ТУРБОКОМПРЕССОР? 

Турбокомпрессором может быть оснащен любой двигатель  внутреннего сгорания: дизельный, бензиновый или работающий на газе, имеющий жидкостное или воздушное охлаждение. Турбокомпрессоры применяются как на двигателях с большим рабочим объемом (судовых, тепловозных и стационарных), так и на двигателях грузовых и легковых автомобилей. Идет ли речь о двухтактном или о четырехтактном двигателе – не имеет значение. 

Сегодня практически  все крупные дизельные двигатели  мощностью более 150 кВт, применяемые  в промышленности, судостроении, на дорожно-строительных работах, оснащаются турбокомпрессором (иногда даже несколькими). 

В поле деятельности автомобильного транспорта теперь практически  любой дизельный двигатель мощностью  свыше 80 кВт стандартно оснащается турбокомпрессором. Даже в секторе  малых автомобилей с дизельным  двигателем наблюдается их распространение.