Турбонагнетатели(статья)

[колос]

История

В начале прошлого века швейцарский инженер Альфред Бюхи, заведующий разработкой дизельных двигателей в компании Sulzer Brothers, разработал первое устройство нагнетания, использующее в качестве движителя энергию выхлопных газов. Будучи главным инженером научно-исследовательского отдела компании, г-н Бюхи в 1915 г. предложил первый прототип турбодизеля. К сожалению, он не был достаточно эффективным. Уже в 1917 г. ограниченное число турбонагнетателей было испытано на авиационных моторах в условиях Первой мировой войны. Это позволило самолету забираться более высоко, сохраняя необходимую мощность мотора. Немногим позже турбины появились и на судовых дизелях. В 1920 г. компании Mercedes и Fiat начинают свои исследования в области турбонаддува. Автомобильные турбонагнетатели сначала появились на грузовиках. Первый такой мотор был построен компанией Swiss Machine Works Saurer. В годы Второй мировой войны турбонагнетатели широко использовались и в авиации, и на военном транспорте. В 1952 г. автомобиль с турбодизелем впервые принял участие в гонках Indianapolis-500. А первыми серийными турболегковушками стали Oldsmobile Jetfire Turbo Rocket и Chevrolet Corvair Monza (1962–1963 гг.). Не умаляя заслуг г-на Бюхи, стоит сказать, что массовое внедрение турбонагнетателей произошло благодаря работам Вильяма Вулленвебера конца 50-х–начала 60-х годов. Именно его конструкция является прародителем современных турбонагнетателей. Такие известные компании, как Garrett (США), Holset (Англия), KKK (Германия), IHI и Mitsubishi (Япония), в свое время приобрели лицензию на право использования его конструкции. Нужно отметить, что механические нагнетатели уже тогда применялись с успехом. Вот почему турбонагнетателям приходилось отвоевывать свою нишу на этом рынке. После первого топливного кризиса в 1973 г. турбодизели стали все чаще использоваться на коммерческом транспорте. Экономия топлива покрывала высокие затраты на сами устройства турбонагнетания. На их распространение повлияли и высокие нормы по токсичности, принятые в 80-х годах. В 1975 г. появился легендарный Porsche 911 Turbo. А годом позже 2-литровая турбированная версия Saab показывает такие же возможности, что и 3-литровая, но атмо-сферная. В 1978 г. Renault начинает турбоэру в гонках Формулы-1. В то же время Buick, Saab и Mercedes начинают массовое производство автомобилей с турбонагнетателями. В настоящее время турбонагнетатели прочно заняли свое место под капотами автомобилей. Причем чаще всего можно встретить именно турбодизели. По возможностям они стали все более приближаться к своим бензиновым собратьям, сохраняя при этом главные преимущества – низкий расход топлива и хорошую экологичность. Бензиновые же моторы все чаще оснащаются турбинами не с позиций скорости и мощи, но как средство снижения расхода горючего и вредных выбросов.
Как известно, двигатели внутреннего сгорания (ДВС) имеют низкий КПД. Дизельные моторы более эффективны, но и они не лишены недостатков. Так уж получается, что около 40% энергии, выделяемой при сгорании топлива, рассеивается с выхлопными газами. Почему бы не использовать эти отходы?

Конструкция

Так что же такое турбонагнетатель или турбокомпрессор? Фактически это тот же компрессор, призванный нагнетать воздух, но его привод осуществляется не от коленчатого вала через ременную передачу, а используя энергию потока отработавших газов. Работа турбонагнетателя предельно проста. Выхлопные газы, проходя в турбину, приводят во вращение ротор. Колесо центробежного компрессора жестко закреплено на оси ротора и вращается с тойже скоростью. Нужно сразу сказать, что сама компрессорная часть может быть различной по конструкции, но именно центробежный тип стал превалирующим. Чем большей энергией обладают выхлопные газы, тем быстрее вращаются колеса турбины и, соответственно, компрессоры. Чем больше воздуха подается в цилиндры, тем больше топлива может сгореть, тем выше мощность. При этом частота вращения турбокомпрессора может быть очень и очень высокой – 150 тыс. об/мин и более. Колесо турбины соединено с валом сваркой трением. Использование иных методов не дает необходимой точности соединения. Дело в том, что конструкция вал–турбина должна быть идеально сбалансирована. Иначе, памятуя о высоких скоростях крыльчатки, даже небольшое биение приведет к гарантированной поломке. Вал в месте соединения с колесом обычно выполняется пустотелым. Этот прием позволяет понизить теплоотдачу от колеса турбины на вал и предотвратить нежелательный перегрев подшипников. К слову, о подшипниках. Так уж получается, что колесо турбины, подвергаясь прямому воздействию горячих отработавших газов, не несет столь большой тепловой и, особенно, механической нагрузки, какую испытывает вал. Турбокомпрессоры выполняют по нескольким конструктивным схемам. И в основном отличия этих подходов сводятся к размещению опор крепления вала. В турбонагнетателях именно вал и опоры являются крайне уязвимым звеном. Подвергаясь воздействию высоких температур от выхлопных газов и серьезным механическим нагрузкам, обусловленным высокими скоростями вращения роторов, эти опоры представляют серьезную проблему для разработчиков. Сейчас можно встретить схемы с подшипниками качения, но наибольшее распространение получили подшипники скольжения (например, бронзовые втулки и т. п.). Как правило, втулки выполняют плавающими (т. е. с зазором и относительно корпуса, и относительно самого вала). Это позволяет поддерживать необходимый масляный клин и сократить внутренние линейные скорости вращения, что ведет к снижению нагрузок на весь подшипниковый узел. Смазка подшипникового узла осуществляется от системы смазки ДВС. Причем, как и в самом двигателе, масло служит даже больше для отвода тепла от подшипников и корпуса, нежели для непосредственно смазки трущихся поверхностей.
Удержание масла внутри подшипникового узла и недопущение его в зоны компрессора и турбины также важный и сложный вопрос. Тем более, что сейчас можно встретить конструкции с неподвижным подшипником, где ротор вращается в масляной ванне. Различные типы газо-масляных уплотнений не только должны эффективно сдерживать масло, но и противостоять воздействию высоких температур. На малых оборотах проблема утечек масла встает более остро, поскольку на этих режимах уже внутри подшипникового узла давление более высокое. Сегодня большинство турбокомпрессоров имеют механизм изменения геометрии турбины. Дополнительное кольцо с управляемыми направляющими лопатками позволяет поддерживать поток выхлопных газов не только постоянным, но и управлять им. Так, на низких оборотах, когда поток невелик, поперечное сечение турбины уменьшается, что увеличивает скорость газов, поступающих на колесо, повышая ее мощность. На высоких же оборотах лопасти полностью открывают вход газам, увеличивая пропускную способность турбины. Такое гибкое управление позволяет не только расширить диапазон эффективной работы турбонагнетателя, но и существенно снизить потребление топлива и вредные выбросы. Еще одно интересное конструктивное решение касается корпуса турбины. В основном такие турбины применяются на больших двигателях грузовых автомобилей, но теперь их все чаще можно встретить и на легковых машинах. Речь идет о корпусе турбины с двумя параллельными каналами. Дело в том, что поток выхлопных газов неравномерен. Четыре такта работы ДВС подразумевают поочередную работу цилиндров, что делает поток отработавших газов импульсным. Эти колебания давления могут перекрывать друг друга, что способно снизить эффективность турбины. Два параллельных канала позволяют разделить потоки от разных цилиндров (например, на один канал работают 1-й и 4-й цилиндры, а на второй – 2-й и 3-й). Каждый поток распределяется по всей поверхности рабочего колеса турбины, полностью используя импульсы давления. Такой тип наддува называется ипульсным. Здесь уместно вспомнить конструкции прошлых лет, чтобы увидеть, по какому извилистому пути шла мысль конструкторов-первопроходцев. Так, например, пытаясь максимально использовать энергию выхлопных газов, применяли дополнительную турбину. В то время как часть отработавших газов направлялась в турбину нагнетателя, вторая их часть вращала турбину, отдающую свою мощность непосредственно коленчатому валу двигателя. Такая комбинированная установка позволяла выдавать довольно большую мощность, но, вероятно, сложность самой конструкции не способствовала широкому ее распространению. Другая идея еще более экстравагантна, но, тем не менее, весьма показательна для того времени. Предлагались проекты силовых установок для гоночных автомобилей, в которых двухтактный двигатель вырабатывал газ для тяговой турбины. Кстати, газотурбинные двигатели некоторое время использовались в гонках, пока их не запретили из-за того, что дальнейшее широкое использование вертолетных силовых установок могло привести к полному вытеснению поршневых двигателей, что окончательно отделило бы автоспорт от автопромышленности.
Турбонагнетатель с изменяемой геометрией турбины обеспечивает ему эффективную работу не только на высоких, но и на низких оборотах двигателя.

Плюсы и минусы

Самое большое преимущество такого привода для нагнетания воздуха в том, что, в отличие от механических нагнетателей, приводимых от коленчатого вала, а стало быть, отнимающих мощность непосредственно у двигателя, турбонагнетатели используют фактически дармовую энергию, которая в обычном двигателе попросту выбрасывается из выхлопной трубы. Это делает турбонагнетатели более эффективными, нежели механические. Так, средние приблизительные оценки показывают, что турбонагнетатели отбирают у двигателя 1,5% мощности, в то время как центробежные механические нагнетатели – порядка 5% (а рутс-типа и того больше). Одновременно турбонаддув позволяет получить очень высокие литровые мощности – свыше 300 л. с. с одного литра объема. Двигатель с турбонагнетателем может иметь мощность на 40% выше, чем без него. Как ни странно, но турбированные двигатели более экономичны. Низкое КПД двигателя внутреннего сгорание обусловливается потерями на трение и низкой тепловой эффективностью (теряется много тепла ). С увеличением размеров мотора эти потери резко увеличиваются. Небольшие турбированные моторы в этой связи более предпочтительны. Ну и еще можно выделить такую положительную черту, как более устойчивая работа наддувных моторов в условиях высокогорья, где обычным атмосферникам подчас не хватает воздуха. Складывая все вышеперечисленные преимущества, логичен вывод, что использование турбонагнетателей на спортивных автомобилях позволяет добиться очень высоких результатов, тогда как классических методов форсировки уже недостаточно. Здесь уместно также упомянуть и о весовой составляющей. По определению маленький мотор весит меньше большого, что крайне важно для автоспорта (хотя, именно там их использование запрещено). Но в любой бочке меда есть и своя ложка дегтя. Турбонагнетатели несовершенны и обладают рядом проблемных мест. Самое заметное, о чем я уже сказал выше, – эффект «турбоямы», или «турболаг». Отсутствие механической связи между компрессором и двигателем приводит к несоответствию между требуемой мощностью, задаваемой водителем педалью акселератора, и производительностью компрессора. Происходит это по одной простой причине. При снятии ноги с педали газа частота вращения турбокомпрессора снижается. Если снова нажать на педаль, двигатель не сможет сразу развить необходимую мощность, пока турбокомпрессор снова не выйдет на свою скорость. Борются с этим по-разному. Часто можно встретить перепускные клапаны, позволяющие контролировать давление наддува и несколько снизить отрицательный эффект турбозадержки. Есть варианты, когда при отпускании акселератора особые клапаны-заслонки закрывают вход и выход компрессора, изолируя крыльчатки. Не имея значительного сопротивления, они какое-то время вращаются свободно по инерции с практически той же скоростью. Это позволяет при следующем нажатии на педаль газа снизить запаздывание турбины. Самым большим недостатком турбокомпрессоров до сих пор считается невысокая эффективность работы на малых оборотах двигателя. Но в последнее время и эта проблема находит свои решения. Турбины с переменной геометрией (см. выше), установка двух и более турбин, работающих параллельно (системы biturbo и т. п.), позволяют повысить отдачу системы. В этом году были анонсированы новые турбонагнетатели twin-turbo от компаний BMW и Opel. Здесь используется пара турбин различного размера и производительности. Одна, малая турбина обладает более быстрой реакцией и позволяет добавить мощности на малых оборотах (до 1800 об/мин.). На средних оборотах (до 3000 об/мин.) подключается вторая, большая турбина. И на высоких работает только большой, высокопроизводительный турбонагнетатель. С использованием такой системы нагнетания, например, автомобиль Opel Vectra, оснащенный дизелем 1,9 л, с системой наддува twin-turbo вырабатывает 212 л. с. мощности и 400 Нм крутящего момента (в диапазоне 1400–3600 об/мин.), позволяя машине развивать 250 км/ч и достигать с места скорости в 100 км/ч всего лишь за 6,5 секунды. Такие характеристики делают этот дизельный мотор серьезным конкурентом своим бензиновым собратьям.

Турбокомпрессоры имеют те же недостатки, что и центробежные нагнетатели. Для эффективной работы они должны вращаться с очень высокой скоростью, даже большей, чем центрифуги. Плюс высокий нагрев (порядка 1000 °С), сложности в смазке, отводе тепла и т. д. Это накладывает особые требования к используемым материалам. Повышенные температуры сказываются не только на смазке деталей турбонагнетателя, но и на нагнетаемом воздухе: его охлаждение оказывается острым вопросом. Для эффективного охлаждения интеркулер рассчитывается и подбирается с особой тщательностью. Как и в любом нагнетательном устройстве, в турбонагнетателе необходим клапан, спускающий излишнее давление. С турбиной же еще сложнее. Здесь нужно не только следить за давлением наддува, но и перепускать выхлопные газы, чтобы снизить избыток давления в выпускном коллекторе, и исключить чрезмерно высокую скорость вращения ротора на высоких оборотах двигателя. Появившиеся в последнее время турбонагнетатели с электроуправляемыми перепускными клапанами (взамен существующих пневматических) позволяют вести более точную настройку мотора. Автопроизводители добиваются высоких показателей по экологии и топливной экономичности, а специалисты по доводке моторов имеют возможность либо чип-тюнингом, либо заменой турбонагнетателя на более производительный с его точной настройкой добиваться высоких результатов по мощности и крутящему моменту. Нужно сказать и еще об одном устройстве, которое призвано увеличить срок службы подшипникового узла турбонагнетателей – самого уязвимого элемента. Дело в том, что после работы на повышенных оборотах турбина должна «отдохнуть» на холостых оборотах. Поработав так несколько минут, турбина остывает, и ее можно остановить, не опасаясь перегрева подшипников. Устройство, именуемое турботаймером, позволяет при выключении зажигания глушить двигатель через некоторое время, которое можно либо запрограммировать, либо оно определяется устройством автоматически, исходя из температуры мотора. В отсутствие такого прибора водитель должен обеспечить «режим остывания» самостоятельно.

COMPREX

Говоря о турбонагнетателях, нельзя не сказать об одной очень интересной разработке, объединяющей и энергию выхлопных газов, и механический привод от коленвала. Идею использования принципа волнового ротора впервые в 1942 г. предложил Клод Сейппел из Brown Boveri Company (BBC), Швейцария. Легковой автомобиль Mazda 626 Capella был первой машиной, на которой устанавливался COMPREX (COMPRession-EXpansion – сжатие-расширение) в качестве компрессора для дизельного мотора. Ford Motor Company и Caterpillar прорабатывали проекты с использованием нагнетателя подобного типа. Именно на дизельных моторах это устройство работало особенно хорошо. Принципиальная идея волнового обменника (именно так его иногда называют) такова. Сердцем конструкции является цилиндрический ячеистый ротор, имеющий множество сквозных, продольных каналов. С одного торца к нему подходит воздух, а с другого – выхлопные газы. Ротор вращается приводом от коленвала. С торцов его прикрывают заслонки, имеющие расположенные особым образом перепускные отверстия. Процесс сжатия выглядит следующим образом. Воздух с одного конца заполняет каналы ротора, ротор проворачивается; с другого конца в те же каналы подаются выхлопные газы. Сама работа ДВС придает выхлопным газам определенное давление. Это давление и сжимает свежий воздух. Далее, ротор снова проворачивается, и уже сжатый воздушный заряд проходит во впускной коллектор. Процесс происходит непрерывно. Ротор вращается с определенной скоростью, задаваемой оборотами двигателя и передаточным числом привода. Разумеется, необходим интеркулер, поскольку воздух от прямого контакта с выхлопными газами нагревается особенно сильно. Некоторый замес выхлопных газов в воздух для дизельного двигателя только в плюс, поскольку это обеспечивает необходимую рециркуляцию и снижает токсичность дизеля. Одним из основных преимуществ волнового нагнетателя было то, что, в отличие от механических нагнетателей, его обороты были куда ниже, а в отличие от турбонагнетателей – у волнового отсутствовал эффект «турбоямы» и рабочий диапазон не ограничивался лишь высокими оборотами. В 90-е годы прошлого века двигатели Mazda, оборудованные волновым нагнетателем, по показателю крутящего момента превосходили аналогичные турбодизели. Однако в 1997 г. производство машин с компрессором COMPREX было свернуто. Турбины стали более совершенными. Но работы по волновым нагнетателям рядом западных компаний ведутся и сейчас.

Итоги

Сравнивая нагнетатели с механическим приводом от коленвала и турбоприводом, надо отметить один немаловажный факт. Массовое производство позволяет автомобильной промышленности существенно снижать себестоимость моторов с турбонагнетателями. Использование же их в тюнинге сопряжено с немалыми трудностями, прежде всего в установке. Аналогичные центробежные механические нагнетатели, как правило, более удобны и просты и в установке, и в эксплуатации. Однако достоинства турбонагнетателей приводят к тому, что их все чаще используют при доводке автомобилей. Существуют готовые комплекты для различных автомобилей. Есть разработки и для отечественных моторов с использованием импортных комплектующих. Доводке подвергаются и сами турбонагнетатели. В заключение следует сказать, что турбонагнетатели несомненно интересны. Не зря большинство спортивных машин турбированны. Высокий КПД и прочие положительные факторы делают их крайне привлекательными как для обычных автомобилей, так и для серьезного тюнинга. Но и здесь, как и с их механическими собратьями, для достижения действительно выдающихся результатов без «железного» тюнинга не обойтись.


T e к с т - Даниил Шургальский