Металлический нейтрализатор имел в свое время и эффективный турбодвигатель Opel Calibra; он даже предполагался в те времена для крупносерийного производства. Из металла были также изготовлены предварительные нейтрализаторы 2,7-литровых Biturbo Audi. Так как и в этой сфере играет свою роль стоимостной фактор, то сегодня чаще всего можно встретить еще и распространенные керамические нейтрализаторы.
Другая проблема, связанная с нейтрализаторами, сравнима с квадратурой круга: нейтрализатор должен быть расположен поближе к головке цилиндра и его пусковая температура свыше 300° С должна быть достигнута как можно раньше. Естественно, что у турбодвигателей это возможно не без особых затруднений, так как турбина находится спереди (и здесь имеет место существенное преимущество механического наддува). И еще у нейтрализатора появилась одна проблема: турбонагнетатель, который живет за счет спада температуры, съедает существенную часть тепла отработавших газов для работы турбины, и для нейтрализатора по существу ничего не остается.
Чтобы решить эту проблему, производители турбодвигателей могут использовать несколько возможностей. Одна из них: нейтрализаторы размещаются как можно ближе к турбине; Porsche даже встроил в своих 968 «S» и «RS» турбодвигателях в 1993 году собственные нейтрализаторы после перепускного канала. Обычно перепускной поток «без обработки» подводится к основному нейтрализатору. И все-таки такой отдельный нейтрализатор для перепускного канала до сих пор остается единственным в своем роде.
В 944 Turbo в 1985 году было реализовано еще одно свойство, которое сегодня можно очень хорошо использовать равным образом и для раннего запуска процесса нейтрализа-ции катализаторов: в выпускных каналах дви-гателя были размещены так называемые керамические Portliner (где они, однако, были предназначены не для обслуживания нейтрализатора, поскольку в 1985 году они еще не стали необходимостью. Portliner были предназначены скорее для предотвращения выхода находящегося в канале тепла наружу к головке цилиндра, чтобы не нагружать систему охлаждения двигателя). Обусловленная этим высокая температура отработавших газов приводила к лучшему характеру срабатывания турбины. Porsche перенял эту идею и реализовал в своем Biturbo, причем помимо преимущества лучшего характера срабатывания турбины и нейтрализаторы уже весьма рано почувствовали для себя драгоценное тепло. Audi остановился для своего Biturbo на более дорогостоящей альтернативе выпускного коллектора с изолированными воздушными зазорами, который делал двойные выдохи. При этом вместо обычного ранее распространенного тяжелого чугунного литого коллектора появилась стальная конструкция (что, кроме того, привело с собой и преимущества в весе), которая функционировала по принципу «Thermoskannen». Метод, который использует воздух в качестве изолятора, чаще можно было встретить у двигателей без наддува в форме коллекторов с изолированными воздушными зазорами. Аналогичный коллектор также появился и у дизельных двигателей: Audi встроил его в свой V6 TDI, чтобы далее оптимизировать характер срабатывания турбины. Как очень толковая, представлялась в этом отношении и конструкция «целостного турбонагнетателя», которую впервые реализовал Opel в 2,0-литровом четырех -цилиндровом двигателе Calibra. В этой концепции и нейтрализатор, естественно, продвинулся немного выше, в направлении головки цилиндра.
Audi 100 двигатель без наддува, 100 кВт/1 36 л.с. | Диаметр трубопровода 50 мм Площадь поперечного сечения 1 962 мм2 | |
Audi 1 00 Turbo, 1 25 кВт/1 70 л.с. | Диаметр трубопровода 60 мм Площадь поперечного сечения 2826 мм2 | |
Audi 100 Quattro, 147 кВт/200 л.с. | Диаметр трубопровода 70 мм Площадь поперечного сечения 3846 мм2 |
В концепции системы выпуска следует по возможности отказаться от изгибаний или запутанной укладки трубопроводов. «Аккуратная» прокладка трубопроводов с короткими путями имеет наивысшее значение, особенно для коэффициента полезного действия турбины.
Весьма устрашающим примером этого является Porsche 944 Turbo, что уже было отмечено в главе, посвященной оптимальному турбодвигателю. Естественно, и в системах выпуска условия компоновки играют большую роль. И здесь, чтобы реализовать концепцию Biturbo, совершаются просто чудеса.
Турбонагнетатель в подробностях.
Требования к турбонагнетателям в течение прошедших лет постоянно изменялись. Если первое поколение предназначалось в основном для выработки дополнительной мощности, то сегодня турбонагнетатель служит в равной степени и улучшению эксплуатации двигателя. Они используются также и из экологических соображений - например, в дизельных двигателях для снижения выбросов частиц. Кроме того, дизели в результате использования турбонаддува приобрели и низкий удельный расход топлива по сравнению со своими собратьями без наддува.
Бензиновые двигатели также благодаря турбонаддуву добились своего наилучшего баланса расхода. Так называемые двигатели крутящего момента позволили себе «ленивый» режим управления при высоких передачах и ограниченной номинальной частоте вращения, и как следствие - меньше трения. В принципе повышается и механический коэффициент полезного действия от использования наддува в двигателях с малым рабочим объемом.
Естественно, что можно было бы и не рассматривать отдельно турбонагнетатель; в вышеупомянутых концепциях основную роль, разумеется, играют окружение двигателя, конструкция двигателя и его технические параметры, использование современных производительных электронных систем (например, систем регулирования давления наддува, управления детонацией), а также модернизация систем обогащения газовой смеси у бензиновых и прежде всего у дизельных двигателей. Без этого турбонагнетатель вообще не смог продемонстрировать в полной мере свои возможности.
Но тем не менее все-таки обратим свой взор к турбонагнетателю. «Голый» нагнетатель тоже шел собственным длинным путем к своим достоинствам (смотрите таблицу).
Технические параметры | 1 поколение | 2 поколение | 3 поколение | 4 поколение | |
Диаметр колеса компрессора | 60,5 мм | 50 мм | 45 мм | 45 мм | |
КПД компрессора | 0,72 | 0,72 | 0,75 | 0,74 | |
Полезная ширина карты характеристик | 60% | 75% | 79% | 79% | |
Максимальный расход | 100% | 130% | 140% | 140% | |
Вес | 7,8 кг | 4,7 кг | 3,5 кг | 5 кг (VTG) | |
Момент инерции ротора | 100% | 45% | 30% | 25% |
Источник: ККК
Исследование, выполненное ККК (в частности, «Turboladerfirma 3K Warner Turbo-System»), проведено на примере 1-литрового дизельного двигателя мощностью 51 кВт/70 л.с. Особенно четко проявляется прогресс в технологии турбонаддува, если задуматься над тем, что приведенный в таблице 45-миллиметровый нагнетатель четвертого поколения нашел применение и в более сильном двигателе (81 квт/11 0 л.с).
Но современный турбонагнетатель должен быть совершенно другой машиной не только благодаря своим характеристикам. Он обязан также подчиняться все возрастающему аспекту комфорта водителя. То, что предназначено для гармоничного развития сил и мощности, должно относиться также и к параметрам шумов автомобиля с наддувом.
Сегодня развитие турбонагнетателя идет значительно шире, и не только в виде некоего дополнительного компонента, привнесенного в двигатель. Чтобы вся концепция считалась обоснованной, следует учитывать и поведение турбонагнетателя сточки зрения акустики. Соответствующие требования в этом отношении к первому поколению турбонагнетателей не предъявлялись. У второго поколения добавились затем заданные параметры рабочей балансировки. Третье поколение помимо балансировки обнаружило еще и проблемы с пульсацией. И, наконец, четвертое поколение включило весь объем сервисных услуг производителей турбонагнетателей и дополнительно дорогостоящие испытания, на основе которых анализируют акустические свойства турбонагнетателя, рассчитывают их по заданным параметрам двигателепроизводителей и при необходимости корректируют.
К числу важнейших аспектов разработки турбонагнетателей относится и задача снижения момента инерции масс. С ним связан и также понижается параметр срабатывания при низких частотах вращения и нестационарном режиме эксплуатации. Непосредственно разработки в этом направлении были и до сих пор остаются самыми трудными, так как они предполагают более глубокое вмешательство в термодинамику и в эксплуатационные свойства нагнетателя, чем это можно было ожидать.
И это не значит сделать так, что просто у существующего нагнетателя уменьшить диаметр колеса. Требование, чтобы малый нагнетатель современного поколения по меньшей мере удовлетворял тем же параметрам производительности, что и крупный нагнетатель предыдущего поколения, и чтобы малый нагнетатель удовлетворил тот же мотор и с той же пропускной способностью при по меньшей мере одинаковом, а лучше большем коэффициенте полезного действия, что и его великовозрастный пандан, в большей мере обуславливается использованием «ноу-хау» и длительной опытно-конструкторской работой.
Добавляется и физическая закономерность: с уменьшением размера нагнетателя понижается и коэффициент полезного действия за счет потерь в зазорах. Поэтому требования к современному турбонагнетателю сравнимы с решением знаменитой задачи древности о построении квадрата, равновеликого данному кругу.
Важнейшим объектом дальнейших разработок должна стать задача установки роторов, которая предусматривает интеграцию упорного подшипника в радиальном положении. Это сокращает не только количество деталей, но и минимизирует затраты, связанные с трением. Дополнительно это сулит и улучшенный характер балансировки, что также влияет на акустические свойства турбонагнетателя.
Наддув на заказ
Половина забот оплачивается за счет нанимателя турбонагнетателя. Если двигатель должен сегодня одновременно исполнять нормативные требования в отношении температурного режима, хорошей подвижности, комфорта езды и не в последнюю очередь экономности, то нагнетатель должен быть строго согласован с двигателем. Он должен ему подходить, как сшитый на заказ костюм, а не должен быть или слишком мал, или слишком велик. Нагнетатель и двигатель должны вступить в гармоничный союз; и при этом только в том отношении, что непосредственно лопаточная машина, а именно нагнетатель и «паровая машина», а именно, двигатель внутреннего сгорания на основе своих противоположных рабочих характеристик вступают скорее в «свободный брак», а это, несомненно, представляет собой одну из сложных задач.
Согласование нагнетателя с двигателем может продолжаться месяцами. В процессе бесчисленного количества тестовых часов, проведенных на испытательных стендах и в автомобилях, после длительного процесса взаимной подгонки и настройки рождается оптимальный нагнетатель.
Требования к современному нагнетателю.
При разработке колес турбин и компрессоров следует руководствоваться требованиями со стороны покупателей и со стороны пользователей (легковые и грузовые автомобили, корабли, стационарные сооружения). Для проектно-конструкторских работ по созданию нужного конечного продукта имеется набор следующих критериев:
1. Ширина карты характеристик, положение насосных и запорных границ.
2. Максимальная степень сжатия при определенной окружной скорости (важен для грузовых автомобилей).
3. Максимальный коэффициент полезного действия и положение «раковины» КПД.
4. Срок эксплуатации (прочность, также с учетом стоимостных затрат).
5. Диаметр и связанный с ним момент инерции колеса. Внимание: момент инерции идет с коэффициентом «пять» относительно диаметра колеса.
6. Размеры корпуса.
Для приложений в секторе легковых автомобилей особенно важны такие критерии как характер нестационарности и аспект управляемости двигателя. Это означает, что нагнетатель с низких частот вращения обязан предоставлять высокое давление наддува и должен срабатывать, по возможности, без задержек в условиях постоянно меняющегося диапазона нагрузки. Именно эти задачи входят в противоречие с характером газотурбонагнетателя и долгое время оказывали отрицательное влияние посредством много раз упоминаемой «турбоямы».
Но современные технологии и постоянно развивающиеся в последние годы «ноу-хау» производителей нагнетателей уменьшили эффект «турбоямы» до едва заметного минимума. И в значительной мере этому способствовала верная комбинация аппаратного и программного обеспечения, то есть оптимальный нагнетатель и регулирование давления наддува.
Сшитый на заказ турбонагнетатель.
Нагнетатель на заказ возникает в результате тесного сотрудничества («simultaneous engineering») с пользователями. Некоторые производители имеют четкую классификацию нагнетателей по классам и размерам для конкретного применения - для двигателей грузовых, легковых автомобилей, судов или стационарных установок.
За исключением корпуса нагнетателя, который всегда остается постоянным, имеются в разных конструктивных рядах для соответствующих сфер приложений и внутри одного конструктивного ряда другие возможности варьирования; турбонагнетатель для дизельного двигателя легкового автомобиля с мощностью 66 кВт/90 л.с. может у VW выглядеть совершенно иначе, чем у Renault или BMW, и сам нагнетатель, например, для одного и того же VW-двигателя может быть тоже различным внутри палитры VW-автомобилей.
Разумеется, при массовом производстве турбонагнетателей играет роль не только пара «колесо - корпус», но и выбор соответствующих диаметров колес компрессора и турбины. Эти диаметры не одинаковы; как правило, колеса турбин
всегда несколько меньше по диаметру, чем колеса компрессоров. Такое положение связано прежде всего с эксплуатационными свойствами и коэффициентом полезного действия колес компрессора и турбины. Здесь справедливо условие: чем меньше турбина, тем меньше инерция масс колеса и тем меньше энергии необходимо применить для преодоления скачка частоты вращения. Теперь что касается компрессора: чем больше компрессор, тем меньше зазор между днищем поршня и головкой блока цилиндров (это относится, разумеется, и к турбине), тем лучше коэффициент полезного действия и объем потока. Отклонения в размерах колес друг от друга составляют, правда, всего несколько процентов.
Конструктивная программа постоянно дополняется снизу (новый КР - конструктивный ряд), чтобы в будущем можно было оптимально обслуживать и мини-двигатели.
ККК-нагнетателем конструктивного ряда (К 24), который по современным меркам необычайно велик, был оснащен двигатель Audi S2. Аналогичный нагнетатель, но с большей турбиной и более крупным компрессором для высокого расхода применялся в Avant RS2, базирующемся на пятицилиндровом двигателе Audi и используемом Porsche. Здесь еще раз подтверждается правило, что в принципе один и тот же нагнетатель может породить совершенно различный характер мощности.
Поскольку тенденция постоянно идет к небольшим нагнетателям с малыми моментами инерции масс, что гарантирует наличие хорошего характера срабатывания с низких частот вращения, то в соответствии с этим положением все производители реструктурируют свои программы. Не только новые знания, но и новые производственные технологии формирования геометрии колес позволили использовать малые нагнетатели в двигателях с большой поглощающей потребностью. Так, например, габариты нагнетателей, которые еще недавно использовались в двигателях легковых автомобилей, сегодня уже появились в классе легких и средних автомобилей для перевозки грузов и пассажиров; в этом нас убеждает и приведенный обзор на расположенном рядом рисунке.
Например, с середины 80-х годов Audi Quattro поставлялись еще с ККК - нагнетателями габарита К 27. Диаметр колеса турбины этого нагнетателя составляет 76 мм. Разумеется, двигатели гоночных автомобилей нуждаются в более крупных нагнетателях, но все-таки и здесь сегодня необходима соответствующая подгонка нагнетателей к таким моторам и были бы, несомненно, возможны нагнетатели конструктивного ряда К 1 (К 14 или К 16) с диаметрами 50 и соответственно 55 мм. Но еще в 1992 году 2,2-литровый пятицилиндровый турбодвигатель Audi модели S2 был оснащен ККК - нагнетателем конструктивного ряда К 24; этот нагнетатель обслуживает сегодня легкие двигатели грузовых автомобилей (например, 3,9-литровый Iveco 8040 или Mercedes ОМ 364А, оба рядные четырехцилиндровые двигатели.
Диаметр колеса турбины К 24 составляет 59 мм. Исключительная конструкция двигателя, а также высокотехнологичное регулирование давления наддува и высокая базовая степень сжатия в итоге делают чудо, а именно, сам двигатель с таким обычно не принятым в сфере легковых автомобилей нагнетателем очень рано начинает создавать давление наддува. Самый юный турбодвигатель Audi, премьера которого состоялась на IAA в 1997 году, имел два ККК - нагнетателя конструктивного ряда К 0, который до конца 1997 года являлся самым малым классом в производственной программе ККК.
Оба нагнетателя конструктивного ряда К 03 имеют диаметр колеса турбины 45 мм. Даже если бы двигатель Audi стал монотурбо, то нагнетатель К 04 обходился бы всего лишь 50 мм в диаметре. И здесь четко виден прогресс, который был сделан в течение всего лишь нескольких лет. Новый добавленный самый нижний конструктивный ряд ККК с обозначением КР замыкает модельную палитру и предназначен для диапазона мощности от 20 до 80 кВт. Мини-нагнетатель этой серии, который обозначен как К 31 и имеет такой же диаметр 31 мм колеса турбины, нашел в 1999 году применение в 0,8-литровом дизеле с непосредственным впрыскиванием MCC Smart. Серия К 0, которая еще совсем недавно являлась самой нижней в палитре моделей, начинает также с 20 кВт, но верхняя граница доходит уже до 1 20 кВт. Благодаря добавлению ряда самых малых нагнетателей, которые обыкновенно подходят к выпускным коллекторам стандарта DIN-A-4, конструктивный ряд К 0 можно ограничить крупными двигателями, причем оптимально достигается настройка между хорошим характером срабатывания и высокой производительностью.
Аналогичным образом стали поступать и другие производители турбонагнетателей. У Garrett появился новый конструктивный ряд Т 1 2 как новая группа для наддува двигателей с малыми рабочими объемами. Т 12 используется в 40 кВт/54 л.с. - сильном трехцилиндровом бензиновом двигателе Smart с объемом 600 см3.
Различные типы турбонагнетателей.
Когда речь заходит о «типах», то это в основном относится к принципу работы турбины, работающей на отработавшем газе. Турбины турбонагнетателей различаются радиальные, осевые и смешанные (Mixed Flow). Радиальные турбины стали уже стандартом для применения в легковом и грузовом транспорте, осевые турбины используются в крупногабаритных двигателях (например, судовых). И новым приложением для автомобильных двигателей стала смешанная турбина.
Осевая турбина.
В осевой турбине колесо создает исключительно аксиальное направление потока. Такие турбины используются на судах с мощностью двигателя в зависимости от турбонагнетателя с 2000 кВт, но в судовых двигателях можно обнаружить и радиальные турбины.
Выбор типа нагнетателя, будет ли он осевой или радиальный, определяется диаметром колеса турбины. Осевой нагнетатель не может иметь малый диаметр, в противном случае от этого пострадает коэффициент полезного действия (малые длины лопаток, большие потери на зазорах). У радиальных турбин диаметр ограничивается прежде всего по эксплуатационно-техническим причинам (срок эксплуатации и нагрузка на лопатки за счет импульсов потока). Производитель судовых двигателей из Аугсбурга MAN B&W, который производит также и крупные нагнетатели, использует, например, радиальные турбины до моторной мощности около 4500 кВт в зависимости от турбонагнетателя. В диапазоне между 2000 и 4500 кВт появляется альтернатива радиальной турбине в виде осевой турбины, но здесь появляется и другой, стоимостной фактор: изготовление радиальной турбины по сравнению с осевой обходится почти в два раза дешевле.
Среди прочего осевые турбины характеризуются подключенным, неподвижно соединенным направляющим аппаратом (nozzle ring), который помимо редукции колебательных импульсов осуществляет оптимальное обтекание колеса турбины отработавшими газами двигателя.
Радиальная турбина.
Стандартом для двигателей легковых и грузовых автомобилей является радиальная турбина. Воздушный поток проходит центростремительно, то есть вращает колесо в радиальном направлении и покидает его в осевом направлении. О карте характеристик, эксплуатационных свойствах и параметрах радиальной турбины еще будет идти речь в этой книге.
Турбина смешанного типа.
В Японии с 1995 года производитель нагнетателей IHI использует турбинные колеса, которые по геометрии лопаток и углу обтекания отличаются от существующих радиальных турбин. Поток отработавшего газа подается на колесо у так называемой Mixed Flow-турбины не в радиальном, а в полуосевом направлении. В итоге получился какой-то «гермафродит» из радиальной и осевой турбин. Поэтому обтекание колеса выполняется наискосок снизу. Лопатки соответственно имеют пространственную кривизну, отчего внешний диаметр становится непостоянным. Mixed Flow-турбины также нашли применение в судостроении. Там они преимущественно и используются, поскольку их собственная техническая характеристика - в противоположность радиальным или осевым турбинам - коэффициент полезного действия турбины, может быть лучше согласована с линией гребного винта судового двигателя. Судовой двигатель действует исключительно при рабочей линии постоянной нагрузки и частоты вращения - совершенно противоположно двигателю грузовых автомобилей - не говоря уже о двигателях легковых автомобилей. Но от преимуществ такого экзотического типа турбинного колеса не отказались грузовые транспортные средства, поэтому Mixed Flow-турбины были опробованы на двигателях грузовых автомобилей и там широко запущены в серийное производство.
IHI все больше обращает внимание на сектор легковых автомобилей и постепенно дополняет свои конструктивные ряды Mixed Flow-турбинными колесами для использования в этой сфере. Из-за иных по типу эксплуатационных свойств двигателей легковых автомобилей Mixed Flow-турбина подверглась дальнейшему совершенствованию, поскольку в противоположность судовым двигателям серийный двигатель почти всегда находится в нестационарном режиме, то есть под переменной нагрузкой. Достигнутые IHI результаты многообещающи: использование в двигателях легковых автомобилей по сравнению с радиальной турбиной выявили отчетливо лучшие нестационарные свойства. Непосредственно в этой области Mixed Flow-турбины демонстрируют свое самое большое преимущество, а именно, минимальный диаметр колеса и связанная с этим малая инерция масс.
Страницы: 1, 2
