Получение высоких показателей современных двигателей стало возможным благодаря применению наряду с микропроцессорной системой коррекции подачи топлива и совершенствованию смесеобразования применению регулируемого турбонаддува. Как к этому пришли?
Конструкторы решают задачи прежде всего повышения мощности ДВС. Это достаточно просто решить путем увеличением количества сгораемого топлива. Но статистика информирует, что на современном уровне развития техники затраты на эксплуатацию автомобиля составляют 31,7% от всех расходов. Причем более 60% расходов на эксплуатацию составляют расходы на нефтепродукты.
Способы повышения мощности двигателя
Не вникая в подробности теории ДВС, следует отметить, что мощность поршневого двигателя определяется его рабочим объемом (числом цилиндров), частотой вращения коленчатого вала и средним эффективным давлением в цилиндрах.
Увеличение мощности путем увеличения частоты вращения коленчатого вала проблематично вследствие ухудшения наполнения цилиндров свежим зарядом и стремительным возрастанием нагрузок от действия центробежных и инерционных сил (особенно на двигателях с большим рабочим объемом).
Больше мощность – выше экономичность
Конструкторы работают в направлении чтоб не просто повысить мощность двигателя, а при существующей размерности цилиндров получить в них большую литровую мощность (мощность на единицу рабочего объема), то есть форсировать двигатель. Для форсирования двигателя существует много способов, но наиболее действенным является форсирование по наддуву.
Дело в том, что впуск свежей смеси в цилиндры ДВС происходит под действием разряжения, создаваемого при движении поршня к НМТ. Таким образом, в конце впуска давление в цилиндре «атмосферного» двигателя без наддува всегда будет меньше атмосферного. Соответственно, поскольку в зависимости от массы поступившего воздуха определяется количество впрыскиваемого топлива, мощность ДВС будет недостаточно высокой.
Чтобы повысить мощность, необходимо увеличить не только подачу топлива, а и соответствующую массу воздуха.
18 столетие – назад в будущее
Идея повышения наполнения цилиндров ДВС не новая. Она такая же старая, как и история самих двигателей внутреннего сгорания: оба «прародителя» современных двигателей, Г. Даймлер и Р. Дизель, выразительно представляли, что предварительное сжатие воздуха, который поступает в цилиндры, позволяет получить прибавку мощности. Более того, оба делали попытки применить наддув в конструкции своих двигателей.
Готтлиб Вильгельм Даймлер (Gottlieb Wilhelm Daimler) еще в 1885 году придумал, как подавать в двигатель больше воздуха. Идея умного швейцарца простая, как все гениальное. Как ветер вращает крылья мельницы, так и отработанные газы крутят колесо с лопатками. Разница только в том, что колесо это очень маленькое, а лопаток очень много.
Турбина получает вращение от выхлопных газов, а соединенный с ней компрессор, работая как «вентилятор», нагнетает дополнительный воздух в цилиндры.
Однако, при существующем к тому времени развитии науки и техники, создать совершенную конструкцию не удалось. И это надолго отдалило идею турбонаддува.
Не все так просто
Несмотря на воображаемую простоту самой идеи и конструкции газонаддува, создание работоспособных агрегатов турбонаддува вместе с устройствами регуляции на практике оказалось задачей непростой. Для ее решения были нужны глубокие теоретические и прикладные исследования, а также создание высокотехнологических производственных процессов. Это было связано с тем, что вал турбокомпрессора вращается с частотой свыше 100 000 мин-1. При этом температура крыльчатки турбины, которая взаимодействует с отработанными газами, близкая к 1000 °С, тогда как со стороны короткого вала, в зоне крыльчатки компрессора, она в пять раз меньше. Понятно, что даже обеспечение кратковременной работы такого устройства — проблема.
И все же проблемы турбонаддува на двигателях постепенно развязывались. Применять турбонаддув на серийных автомобильных двигателях начала немецкая компания BMW, выпустив в 1973 году модель BMW 2002 turbo. Учуяв выгодную технологию по стопам BMW пошли Porshe (911-я 1974 года) и Saab (Saab-99 1978 годы). А вскоре – и весь мир..
Установленные на них турбокомпрессоры обеспечивают при впускании небольшое (от 0,25 до 0,55 кгс/см2) избыточное давление. Благодаря этому крутящий момент двигателя достигает максимума уже при частоте вращения коленчатого вала 1600 - 1800 мин-1. Кроме того, они отличаются рекордной экономичностью и отвечают последним экологическим стандартам.
Прогресс турботехники привел к тому, что в настоящее время часть даже легковых автомобилей с турбонаддувними двигателями составляет приблизительно половину общего числа автомобилей в возрасте до 5 лет и продолжает увеличиваться. Из них порядка 20 % — бензиновые автомобили, другие — дизельные. Такое соотношение не случайно. Дизели существенно лучше приспособленные к наддуву вообще и к турбонаддуву в частности.
Цель оправдывает средства
Почему же в наши дни так привлекает двигателестроителей столетняя идея турбонаддува двигателей?
Двигатель, оборудованный турбокомпрессором имеет высокую удельную мощность и крутящий момент. Использование трубонаддува дает возможность достичь заданных характеристик силового агрегата (любой мощности) при меньших габаритах и массе, чем в случае применения «атмосферного» двигателя. Отсюда вытекает еще одно важное следствие: у турбодвигателя лучшая топливная экономичность. Ведь он более компактный и даже при одинаковой мощности с «атмосферным» двигателем, более эффективно расходует топливо. У него меньшая теплоотдача, насосные потери и относительные потери на трение. Экономии топлива способствует и более высокий крутящий момент, при низких частотах вращения коленчатого вала. Кроме того, у турбодвигателя лучшие экологические показатели. Меньшее потребление топлива «при других равных» означает меньшие суммарные выбросы вредных веществ.
Наддув также приводит к снижению температуры камеры сгорания и, соответственно, уменьшению образования окислов азота. В дизелях дополнительная подача воздуха позволяет сместить границу возникновения дымности, то есть более эффективно бороться с выбросами частиц сажи. Не было бы наддува, известные проблемы с применением на дизелях каталитических нейтрализаторов просто закрыли бы им дорогу в будущее. Дизели без наддува с трудом дотягивают к нормам «Евро-2».
Наконец, турбодвигатель способствует улучшению комфортабельности. Компрессор в магистрали впуска и турбина в выпускной системе существенно снижают шумность работы двигателя и обеспечивают акустический комфорт. Он дополняется удобством управления. Высокий, равномерно распределенный по частоте вращения крутящий момент добавляет двигателю большую эластичность.
Наддув + интеркуллер
Но при сжатии в компрессоре воздух нагревается, в результате чего его плотность уменьшается. Это приводит к тому, что в рабочем объеме цилиндра воздуха, а, следовательно, и кислорода, по массе становится меньше чем могло бы поместиться при отсутствии нагревания и, как результат, реальная мощность ниже расчетной и повышенный расход топлива. Чтоб создать условия для сгорания в цилиндрах большего количества топлива, принимают дополнительные меры для увеличения коэффициенту наполнения. С этой целью воздух, который сжимается в компрессоре, перед подачей в цилиндры двигателя охлаждается в интеркуллере, который стал неотъемлемой частью большинства двигателей с наддувом. Охлаждение надувочного воздуха в интеркуллере осуществляется путем обдувки его внешней ребристой поверхности воздушным потоком или за счет жидкостной системы охлаждения.
Приблизительные расчеты показывают, что понижение температуры наддувочного воздуха на 10° позволяет увеличить его плотность приблизительно на 3%. Это, в свою очередь, увеличивает мощность двигателя приблизительно на такой же процент, так что, например, охлаждение воздуха на 33° даст увеличение мощности приблизительно на 10%.
С другой стороны, охлаждение воздушного заряда приводит к понижению температуры в начале такта сжатия и позволяет реализовать ту же мощность двигателя при уменьшенной степени сжатия в цилиндре. Следствием этого является уменьшение температуры отработанных газов, что положительно отражается на уменьшении тепловой нагрузки деталей камеры сгорания.
Будущее наступает сегодня
На современных автомобилях, тракторах средней и большой мощности, а также других самоходных машинах, как правило, устанавливаются двигатели, оснащенные турбокомпрессорами. Именно, использование турбокомпрессоров обеспечивает их высокие технико-экономические показатели и уменьшает расход топлива на номинальных нагрузках в отличие от их безнаддувных аналогов.
В целом уменьшение степени сжатия, например у дизеля, до 15 и уменьшения размеров турбины улучшают типично слабые стороны двигателя с турбонаддувом, а именно: позволяют увеличить крутящий момент при низких частотах вращения коленчатого вала и сократить время выхода на новый режим работы при резком ускорении.
Ускорение повышения давления наддува при увеличении частоты вращения современного двигателя происходит в результате сравнительно малого момента инерции ротора турбокомпрессора, поскольку для наддува применяется турбокомпрессор малой размерности. В результате ускорения поступления воздуха в камеру сгорания при работе на переходных режимах обеспечивается хорошая приемистость двигателя и полнота сгорания топлива и, соответственно, уменьшается его расход.
Применяются регулируемые турбокомпрессоры типа WGТ в которых предусмотрены дополнительные конструктивные устройства для изменения скорости отработанных газов на входе в колесо газовой турбины. Они обеспечивают простоту регулировки давления наддува посредством клапана, перепуская часть отработанных газов, мимо турбины. Существуют и другие типы регулируемых турбокомпрессоров, в которых применяется изменение направления потока газов либо дополнительные клапаны в магистрали подачи воздуха. Но об этом отдельная статья.
Турбокомпрессоры с изменяемой геометрией (ТИГ) – тип турбокомпрессоров, характеризующийся возможностью изменения сечения на входе колеса турбины с целью оптимизации мощности турбины для заданной нагрузки. Это обусловлено тем, что оптимальное сечение при низких оборотах существенно отличается от оптимального сечения при высоких оборотах. Если сечение классического турбокомпрессора слишком большое, то на низких оборотах эффективность турбокомпрессора будет низкой. Если сечение слишком маленькое, то эффективность будет низкой на высоких оборотах.
За счет возможности изменения сечения турбокомпрессоры с изменяемой геометрией улучшают отклик, повышают мощность и крутящий момент, снижают потребление топлива и количество вредных выбросов
Использование регулируемого наддува позволяет существенно улучшить характер изменения крутящего момента, подняв уровень максимальных величин и сместив их в зону сниженных частот вращения двигателя.
