История развития турбокомпрессоров началась примерно в то же время, что и постройка первых образцов двигателей внутреннего сгорания. В 1885 — 1896 г. Готлиб Даймлер и Рудольф Дизель проводили исследования в области повышения вырабатываемой мощности и снижения потребления топлива путем сжатия воздуха, нагнетаемого в камеру сгорания. В 1952 г. швейцарский инженер Альфред Бюши впервые успешно осуществил нагнетание при помощи выхлопных газов, получив при этом увеличение мощности на 40%. Это событие положило начало постепенному развитию и внедрению в жизнь турботехнологий.

Сфера использования первых турбокомпрессоров ограничивалась чрезвычайно крупными двигателями, в частности, корабельными. В автомобильной сфере первыми начали использовать турбокомпрессоры производители грузовых машин. В 1938 г. на заводе «Swiss Machine Works Sauer» был построен первый турбодвигатель для грузового автомобиля.

Первыми легковыми автомобилями, оснащенными турбинами, были Chevrolet Corvair Monza и Oldsmobile Jetfire, вышедшие на американский рынок в 1962 — 63 г. Несмотря на очевидные технические преимущества, низкий уровень надежности привел к быстрому исчезновению этих моделей.

Нефтяной кризис 1973 г. подтолкнул исследования в области применения турбокомпрессоров на коммерческих дизельных двигателях, так как до этого развитие турботехнологий задерживалось необходимостью больших капиталовложений в развитие технологии, а также низкой стоимостью топлива. Ужесточение экологических требований по выхлопным газам в конце 80-х привело к значительному увеличению количества грузовиков, оснащенных турбокомпрессорами. На сегодняшний день уровень развития турботехнологий достиг настолько высокого уровня, что практически каждый двигатель грузового автомобиля оснащен турбокомпрессором.

Начало использования турбодвигателей на спортивных автомобилях, в частности на Formula 1, в 70-х годах привело к значительному увеличению популярности турбокомпрессоров. Приставка «турбо» стала входить в моду. В то время почти все производители автомобилей предлагали как минимум одну модель с бензиновым турбодвигателем. Однако, по прошествии нескольких лет мода на турбодвигатели начала проходить, так как выяснилось, что турбокомпрессор, хотя и позволяет увеличить мощность бензинового двигателя, сильно увеличивает расход топлива. Задержка в реакции турбокомпрессора была достаточно большой на первых образцах этого оборудования, что также являлось серьезным аргументом против установки турбины на бензиновый двигатель.

Коренной перелом в развитии турбокомпрессоров произошел с выпуском в 1978 г. Mercedes — Benz 300 SD, первого легкового автомобиля, оснащенного дизельным турбодвигателем. В 1981 г. за Mercedes — Benz 300 SD последовал VW Turbodiesel. При помощи турбокомпрессора производителям удалось увеличить эффективность работы дизельного двигателя до уровня бензинового, сохранив при этом значительно более низкий уровень выброса в атмосферу выхлопных газов.

На сегодняшний день установка турбокомпрессора на бензиновый двигатель скорее рассматривается как способ сокращения потребления топлива и, таким образом, уменьшения уровня выброса СО2 и других вредных веществ. Таким образом, турбодвигатели служат способом уменьшения расхода энергоносителей и уменьшения выбросов в окружающую среду.

Применение наддува
Применение надува. Мощность двигателя с наддувом в значительной мере пропорциональна давлению наддува. Это позволяет ориентировочно оценить значение мощности, получаемое при надуве двигателя, по формуле:

Pek = Pe x (pka / p0)

Где Pek — мощность двигателя с наддувом; Pe — мощность двигателя без наддува; pka — абсолютное давление наддува; p0 — атмосферное давление.

Применение наддува влечет за собой увеличение и тепловой нагрузки на детали двигателя. Решение этой проблемы может быть достигнуто, например, путем охлаждения поршней маслом через специальные форсунки со стороны картера, а также установкой жаростойких клапанов.

Система охлаждения также должна быть рассчитана на отвод большего количества теплоты. Это достигается установкой радиатора большего размера, а у двигателей с воздушным охлаждением — увеличением количества охлаждающего цилиндры воздуха. В зависимости от уровня форсирования двигателя может потребоваться и эффективное охлаждение смазочного масла.

Следует иметь в виду, что при отсутствии наддува мощность надуваемого бензинового двигателя, как правило, ниже, чем у двигателя без наддува, который не предназначался для наддува. Основная причина здесь в том, что у двигателя с наддувом для предотвращения детонационного сгорания геометрическую степень сжатия несколько уменьшают.

Вопрос о правильном выборе степени сжатия для двигателя с наддувом имеет важное значение, особенно для бензиновых двигателей. В этой связи необходимо различать степень сжатия геометрическую сжатия и эффективную.

Для пояснения здесь следует вспомнить формулу для определения геометрической степени сжатия, которая имеет вид:

E = ( Vs + Vc ) / Vc

Где Vs — рабочий объем цилиндра; Vc — объем камеры сгорания. Т.е. геометрическая степень сжатия (далее — степень сжатия) представляет собой отношение полного объема над поршнем (при положении поршня в НМТ) к объему над поршнем при положении его в ВМТ.

Компрессоры
Всякий раз, когда речь заходит о гоночных или спортивных автомобилях, тема турбонагнетателей становится весьма актуальной. Итак, поговорим о турбинах. Турбокомпрессор позволяет повысить мощность двигателя без значительного увеличения его веса. Это обстоятельство сделало турбины весьма популярными как среди автопроизводителей, так и среди энтузиастов от тюнинга.

Основы
Принимая во внимание то обстоятельство, что современные автомобильные двигатели являются высокооборотными, можно утверждать, что дальнейшее форсирование их путем повышения частоты вращения КВ является мало перспективным и, скорее, может находить применение лишь на двигателях спортивных автомобилей, предназначенных для установления рекордов скорости и не претендующих на долговечность.

Второй вариант повышения мощности за счет увеличения рабочего объема цилиндра путем изменения диаметра и хода поршня также имеет ряд конструктивных ограничений, из-за которых не всегда возможно использование таких модификаций.

Остановимся на третьем варианте — увеличение среднего эффективного давления. Наиболее действенным способом в этой ситуации является наддув. 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. Итак, поговорим более подробно о турбокомпрессорах (ТК).

Обычно давление, создаваемое ТК находится в пределах от 6 до 8 фунтов на квадратный дюйм (PSI). Так как нормальное атмосферное давление — 14.7 PSI на уровне моря, получается примерно 50-ти процентное увеличение количества воздуха, закачиваемого в двигатель. Из этого следует, что теоретически мы могли бы получить 50% прироста мощности, на практике, увы, максимум 30-40%, что тоже неплохо. Одна из причин такой неэффективности является сам ТК. Его наличие в потоке выхлопных газов создает сопротивление выхлопу и, соответственно, часть мощности двигателя затрачивается на преодоление этого сопротивления.

Как это работает
ТК при работе используют энергию отработавших газов. Принцип работы весьма прост. Отработавшие газы через выпускной коллектор попадают под давлением в корпус турбинного колеса, где приводят во вращение турбинное колесо. На вал турбинного колеса жестко установлено компрессорное колесо, которое при вращении сжимает воздух и подает его во впускной коллектор двигателя. Соответственно, чем большее количество выхлопных газов проходит через компрессорное колесо, тем быстрее оно вращается. Частота вращения вала может доходить до 150.000 об/мин и более.

Недостатки
Характерным недостатком ТК в условиях эксплуатации поршневого двигателя является то, что он при низкой частоте вращения КВ подает воздуха слишком мало, а при высокой частоте и полной нагрузке — слишком много. Это обусловливает недостаточный крутящий момент двигателя в диапазоне низких частот вращения КВ и проявляется в медленном его реагировании на изменение нагрузки при переходных процессах, например, при резком ускорении. Собственно, задержка, так называемый лаг, проявляется во всем диапазоне частот вращения КВ (на низах больше, на верхах меньше) — это объясняется отсутствием механической связи ротора ТК с коленчатым валом двигателя.

Одним из способов уменьшения задержки является снижение инерции вращающихся частей путем сокращения их веса.

Какой ТК выбрать — маленький или большой
Еще один способ снизить инерцию турбины — это уменьшить ее размеры. Маленький ТК быстрее создает необходимое давление в зоне низких частот вращения двигателя, но не может обеспечить требуемый объема воздуха в зоне более высоких частот. К тому же скорость вращения маленького ТК выше, чем большого, что негативно влияет на состояние вращающихся частей ТК.

Большой ТК может обеспечить большое количество воздуха в зоне высоких частот вращения двигателя, но его недостаток — значительная задержка особенно в зоне низких частот.

Дополнительная информация по ТК

Wastegate
Большинство турбированных автомобилей имеет wastegate, который позволяет использовать ТК меньшего размера для уменьшения лага, предотвращая его от слишком высоких нагрузок в зоне высоких частот вращения двигателя. Wastеgate — это клапан, стравливающий избыток выхлопных газов в обход турбинного колеса, тем самым, снижая его обороты и предотвращая от чрезмерных нагрузок.

ТК на шарикоподшипниках
Некоторые ТК используют шариковые подшипники для крепления турбинного вала. Они имеют меньший коэффициент трения, к тому же дают возможность использовать более легкий турбинный вал — итог снижение лага.

Керамические ТК
Керамические лопатки турбинных колес легче, чем стальные, используемые в большинстве ТК, следовательно, они имеют меньшую инерцию и, что естественно, снижает задержку ТК.

Последовательные ТК
Некоторые двигатели используют два ТК различных размеров. Меньший работает в зоне низких частот вращения двигателя, а большой — в зоне высоких частот, где первый не столь эффективен.

Интеркуллеры
При сжатии в ТК 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 сжимаемый в нагнетателе воздух перед подачей его в цилиндры двигателя предварительно охлаждается в холодильнике (интеркуллере), который стал неотъемлемой частью большинства двигателей с наддувом. 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.

Особенности тюнинга посредством наддува
Различают два вида тюнинга посредством наддува. Первый, сравнительно простой вид, заключается в увеличении мощности имеющегося двигателя с наддувом. Второй, более сложный вид, состоит в наддуве двигателя, проектировавшегося первоначально для работы без наддува. В первом случае можно повысить мощность относительно просто за счет увеличения давления наддува. Используемые для этого приемы будут рассмотрены ниже. Определяющим критерием здесь является прирост мощности двигателя примерно на 10% при увеличении наддува на 0,1 бар. Но подходить к этому следует, конечно, достаточно осторожно. Без проведения дополнительных мероприятий нельзя рекомендовать повышение давления наддува двигателя более чем на 0,1 бар. Это связано с возможностью возникновения детонации и перегрузок деталей кривошипно- шатунного механизма. Однако давление наддува можно увеличить, например, и на 0,2 бар, если дополнительно установить интеркуллер или заменить уже имеющийся на интеркуллер большего размера, соответственно увеличив его пропускную способность. При форсировании двигателя за счет наддува возрастает тепловая нагрузка на детали цилиндропоршневой группы и механическая нагрузка на трансмиссию. Поэтому, если не предпринять меры по более эффективному охлаждению наддувочного воздуха и усилению трансмиссии, то даже достаточно мощные двигатели можно форсировать лишь незначительно. Не рекомендуется эксплуатировать такие двигатели длительное время с полной нагрузкой.

Второй вид тюнинга, то есть последующее оснащение наддувом безнаддувного двигателя, предъявляет значительные требования к специальным знаниям, а также техническим решениям, которые практически может реализовать занимающаяся тюнингом фирма. Трудность заключается не только в том, что не всегда просто выбрать турбокомпрессор. Помимо этого необходимо конструировать некоторые детали заново или же изменить их конструкцию. И чем больше должна быть мощность двигателя, тем выше, в принципе, затраты на проведение работ. В непосредственном окружении двигателя подвергаются изменениям или заново проектируются и изготавливаются следующие узлы и системы:

- Передача силового потока от двигателя к трансмиссии (сцепление);
- Система выпуска отработавших газов;
- Впускной тракт системы питания, включая приготовление горючей смеси;
- Системы охлаждения и смазки;
- Система зажигания, включая свечи зажигания.

При наддуве двигателя, который первоначально не предназначался для этого, часто необходимо уменьшить его геометрическую степень сжатия e. Уменьшение e возможно за счет применения поршней с уменьшенной высотой от оси поршневого пальца до днища, а за счет более толстой уплотнительной прокладки головки цилиндров, а также за счет увеличения объема камеры сгорания непосредственно в самой головке цилиндров. Прочие мероприятия, например, охлаждение днища поршня путем опрыскивания его маслом из специальной форсунки со стороны картера или усиление поршневых пальцев из-за возрастающих затрат на реконструкцию проводятся очень редко. Часто, чтобы затраты на тюнинг двигателя не превысили определенного значения, отказываются даже от уменьшения степени сжатия. В этом случае для бензиновых двигателей необходимо угол опережения зажигания и давление наддува согласовать с высокой степенью сжатия. При значительном повышении мощности двигателя за счет наддува могут потребоваться значительные изменения ходовой части, тормозной системы и трансмиссии (передаточных отношений коробки передач и главной передачи).

Ориентировочно за верхнюю границу абсолютного давления наддува в зависимости от назначения двигателя можно принять следующие значения:

- Серийные автомобили для обычных дорог: pka=1,4 — 1,8 бар;
- Автомобили спортивные и для ралли: pka=1,8 — 2,5 бар;
- Автомобили для установления рекордов: pka=2,8 — 3,4 бар.

В серийных автомобилях имеет место тенденция к установке двигателей с высокой степенью сжатия и невысоким давлением турбонаддува, тогда как в гоночных автомобилях за счет различных дополнительных мероприятий, например, впрыскивания воды, стремятся к все более высоким давлениям наддува.

Применение турбокомпрессора
Турбодвигатели устанавливаются повсюду, где требуется высокий уровень экономии энергоносителей, особенно при использовании крупных двигателей. Почти все морские, локомотивные и промышленные двигатели оснащаются турбокомпрессорами и охладителями нагнетаемого воздуха.

Со времени своего появления в начале 50-х, технологии турбокомпрессии выхлопных газов достигли высочайшего уровня развития, создав значительные экономические преимущества при транспортировке грузов и пассажирских перевозках. Снижение веса двигателя позволяет увеличить грузоподъемность машины и обеспечить достаточный объем грузового отсека. За последние 25 лет расход горючего автомобилей сократился на 40% при увеличении средней скорости на 50%.

Одним из важнейших направлений в развитии турботехнологий является получение высокого крутящего момента при низких скоростях двигателя. Благодаря глубочайшим исследованиям и постоянному совершенствованию, развитие пульсирующей турбокомпрессии (в противоположность турбокомпрессии при постоянном давлении) достигло высочайшего уровня. Пульсирующая турбокомпрессия, в отличии от турбокомпрессии при постоянном давлении, не требует применения выпускных коллекторов большого размера, это позволяет почти полностью сохранить кинетическую энергию выхлопных газов, выходящих из цилиндров. Так как давление в трубах не постоянно, соединение выпускных коллекторов цилиндров, не сообщающихся друг с другом, возможно только при наличии в двигателе нескольких цилиндров. В 6—цилиндровом двигателе к турбине подсоединены 2 группы, включающие в себя по 3 цилиндра. Выхлопные газы, идущие от разных групп, подаются в турбину отдельно (турбина оснащается двойным входом).

На легковых машинах, в основном, используется выхлопной коллектор, состоящий из одной части, а также турбины с одним входом. В данном случае пульсация выхлопных газов компенсируются при помощи компактной системы труб.

При использовании турбокомпрессии с постоянным давлением, колебания давления гасятся путем установки сравнительно большого выхлопного коллектора для обеспечения прохода большего количества газов с пониженным давлением при высоких оборотах двигателя. Так как двигатель получает возможность выброса выхлопных газов при меньшем сопротивлении, расход топлива при определенных режимах работы снижается. Недостатком данной системы является значительно меньший крутящий момент на низких оборотах двигателя. По этой причине, двигатели с постоянным давлением турбокомпрессии зачастую используются на двигателях, не требующих резкого увеличения крутящего момента для акселерации, например, морские и промышленные двигатели.

С начала 90-х ограничения уровня выбросов в атмосферу для автобусов и грузовиков в Европе и США были значительно ужесточены, и на данный момент только двигатель, оснащенный турбиной, может соответствовать предъявляемым требованиям. Охлаждение нагнетаемого воздуха также стало обязательным требованием в соответствии со стандартами Euro-2 (с 1996) и US-94.

Дизельные легковые автомобили хорошо известны своей экономичностью по сравнению с бензиновыми двигателями такой же мощности, уровень выбросов СО2 у современных дизельных двигателей на 25% ниже. Дальнейшее 15% уменьшение расхода топлива было достигнуто на турбодвигателях с прямым впрыском. Развитие этой технологии в будущем позволит обеспечить расход топлива 3—5 л / 100 км, в зависимости от веса машины.

Дизельные двигатели ранних моделей отличались своей низкой мощностью, однако этот недостаток был устранен при помощи установки турбокомпрессоров. Задержка реакции турбины на изменение положения педали газа компенсируется меньшими размерами турбин. Совершенствование процесса сгорания и турбокомпрессия выхлопных газов позволили снизить уровень выбросов CO и СH до уровня, обеспечиваемого трехканальными катализаторами. Уникальные по своей эффективности, дизельные двигатели оснащаются электронной системой контроля, включающей в себя турбокомпрессор. Все эти усовершенствования позволяют дизельным двигателям приобретать все большую и большую популярность во всем мире.

Западная Европа является самым крупным рынком дизельных пассажирских машин. В 1993 г. в этом регионе было зарегистрировано более 2.300.000 новых дизельных автомобилей, порядка 42% из них оснащены турбинами.

Однако процентное соотношение дизельных машин в Европе варьируется по регионам, например, во Франции количество дизельных машин составляет примерно 50%, а в Греции — не намного больше 0%. Причиной, приведшей к возникновению такой ситуации, является не техническое превосходство одного или другого типа двигателей, а различные таможенные и юридические формальности.

В Европе, где среднее количество бензиновых автомобилей составляет 78% от общего числа, турбинами оснащается только 1% бензиновых двигателей. Большинство бензиновых турбодвигателей используются на спортивных машинах, где экономия пространства двигательного отсека играет очень важную роль.

По причине роста интенсивности движения, легковые автомобили проводят большую часть езды при частичной нагрузке. При частичной нагрузке эффективность бензинового двигателя небольшого объема выше, так как меньший объем позволят свести к минимуму потери энергии при работе.

При помощи турбокомпрессии разница в эффективности работы дизельных и бензиновых двигателей была ликвидирована. Использование турбокомпрессии позволяет совместить великолепные характеристики расхода топлива малообъемного двигателя с мощностью обычного двигателя.

Далее | 1 | | 2 |

Все о турбо. Турбокомпрессор. Применение наддува. Интеркуллеры. Наддув двигателя

источник: Racing Club Новосибирск