т.: +38 (0619) 44-27-00
т./ф.: +38 (0619) 44-27-77
моб.: +38 (067) 613-20-95

Украина, г.Мелитополь

О турбонаддуве в журнале "За рулем"

Печать E-mail

 

"ТУРБО","КОМПРЕКС" и МОЩНОСТЬ


Повысить мощность двигателя, не уве­личивая его рабочий объем, габарит и массу, — одна из основных инженерных задач, которые приходится решать, идет ли речь о модернизации или разработке новой конструкции. Мощность пропор­циональна давлению газов в цилиндре, а оно, в свою очередь, прямо зависит от мас­сы сгоревшего топлива. Окисление горю­чего требует определенного количества воздуха (теоретическое соотношение масс 1:15). Значит, чтобы сжечь больше топли­ва, надо соответственно увеличить массу воздушного заряда, а для этого — повы­сить его плотность сжатием и подать в цилиндр под давлением выше атмосфер­ного.


Наполнение цилиндров воздухом или горючей смесью под избыточным давле­нием называют наддувом. Для сжатия воздуха применяют нагнетатели, приво­димые механически от коленчатого вала, или турбокомпрессоры, движение кото­рым придает энергия отработавших га­зов.

Моторы с наддувом — хороший при­мер того, как автомобильный спорт слу­жит ускорителем технического прогрес­са: получив боевое крещение в гонках, они нашли себе место на дорожных машинах. Первые гоночные двигатели с механическим приводом компрессора появились в начале 20-х годов: в 1921-м — на «Мерседесе» фирмы «Даймлер» (Гер­мания), вслед за ним — у ФИАТа и анг­лийского «Санбима». Расчет был прост: чем больше давление наддува, тем выше литровая мощность. И к концу 30-х годов она достигла 150—160 л. с./л — втрое-вчетверо больше, чем без наддува! Трехлитровый «Ауто-Унион» 1939 года развивал 450, а «Мерседес-Бенц» того же объема — 483 л. с. при давлении наддува    1,6    и    1,97    кгс/см2    соответственно.

Наиболее распространены были объемные нагнетатели типа «Рутс» (рис. 1). Нередко их устанавливали после карбюратора и сжимали уже готовую смесь.

Эффект давался, однако, высокой це­ной. С повышением давления наддува растут температура и давление смеси в конце сжатия — Это чревато дето­нацией. Чтобы избежать ее, снижают степень сжатия — тогда ухудшается ис­пользование тепла, а значит, повышается расход топлива. Двигатель становится более теплонапряженным — меньше его долговечность, выше вероятность поло мок. Да и затраты мощности для привода нагнетателя с увеличением давления наддува оказываются непомерными: до­военный мотор «Мерседес-Бенц» из 425 л. с. на это расходовал 160.

Рис. 1. Нагнетатель с механическим при­водом типа «Рутс»: 1—окно для подачи сжатой смеси в цилиндры; 2—корпус привода; 3—лопасти; 4—фланец трубо­провода от карбюратора.

Рис. 2. Турбокомпрессор: 1—выпускной коллектор; 2—турбина; 3—патрубок приемной трубы глушителя; 4—комп­рессор; 5—выход воздуха во впускной трубопровод; 6—перепускной клапан.

Рис. 3. Схема турбонаддува дви­гателя «СААБ-9000-турбо-16»: 1—датчик разрежения; 2—впускной коллектор; 3—датчик детонации; 4—датчик-распределитель за­жигания; 5—перепускной клапан; 6—выпускной коллектор; 7—турбокомпрессор; 8—микропро­цессор; 9—электромагнитный клапан; 10—радиатор охлаж­дения наддувочного воздуха.

 

Рис. 4. Нагнетатель«Компрекс»: 1—выпускной трубопровод; 2,3окна для отработавших газов; 4—окна для подачи сжатого воздуха; 5—окна для свежего воздуха; 6—патрубок подачи атмосферного воздуха; 7—впускной трубопровод;  8—коленчатый вал.


 

Рис. 5. Нагнетатель со спи­ралевидным ротором: 1—окно для входа атмосферного воздуха; 2—неподвижная стенка корпуса; 3—ротор; 4—камера сжатия; 5—окно для выхода сжатого воздуха.

 

Из-за    своих    недостатков    моторы    с механическим приводом компрессора получили ограниченное применение на ма­шинах, для которых расход топлива имел второстепенное значение (чаще всего спортивных и гоночных). Более практи­чен турбонаддув, который широко распро­странился в последние годы. Здесь агре­гат наддува состоит из центробежной газовой турбины и воздушного компрес­сора роторы которых укреплены на одном валу (рис. 2). Отработавшие газы с высокой кинетической энергией по­даются из выпускного коллектора на лопатки колеса турбины и заставляют вращаться жестко связанное с ним колесо компрессора, который сжимает воздух, поступающий в цилиндры.

Важнейшее преимущество турбонаддува — использование анергии отработав­ших газов и увеличение литровой мощ­ности. Наиболее крупный недостаток — инерционность турбокомпрессора. При резком нажатии на педаль газа его обо­роты не могут возрасти мгновенно — зна­чит, и требуемая мощность достигается с некоторой задержкой. Это нежелатель­но, когда надо, скажем, притормозить, а потом быстро разогнать автомобиль, при обгоне. В дизеле, кроме того, при запаздывании подачи воздуха происходит обогащение смеси, и не успевшие окис­литься частицы углерода образуют облако дыма. Чтобы сделать инерцию минималь­ной, колеса турбины и компрессора делают малого диаметра, зато рабочую частоту вращения доводят до 100 000 об/ мин (порой и выше).

Важно всемерно сократить теплопереда­чу от корпуса турбины к корпусу компрес­сора, чтобы избежать подогрева, а значит, уменьшения плотности воздушного за­ряда. Все же в процессе сжатия тем­пература воздуха повышается, поэтому при высоком давлении наддува его до­полнительно охлаждают в специальном радиаторе: например, в гоночном моторе «Рено» — со 150—170° С до 60° С.

Подача воздуха пропорциональна часто­те вращения компрессора. Когда она близка к максимальной, подачу и, соот­ветственно, давление наддува ограничи­вают величиной, которая зависит от детонационной стойкости двигателя, прочности его деталей и, конечно, области применения. Практически это делают двумя путями: перепускают отработав­шие газы мимо турбины, тем самым снижая обороты компрессора, либо страв­ливают избыток сжатого воздуха. По­следний способ предпочтителен, посколь­ку при быстром сбрасывании и прибав­лении газа задержка в срабатывании турбокомпрессора меньше. В серийных моторах легковых машин давление над­дува редко превышает 0,8 кгс/см , в го­ночных — достигает 4—4,5 кгс/см2.

В двигателе СААБ клапаном перепуска управляет микропроцессор по сигналам от датчиков наддува, детонации и часто­ты вращения (рис. 3). Для обгона мож­но быстро достигнуть максимального дав­ления наддува, поскольку в двигателе, работавшем с частичной нагрузкой, дето­нация не возникает мгновенно. Через несколько секунд, когда она появится, компьютер по сигналу датчика снизит давление воздуха.

Турбонаддув позволяет, не увеличивая объема двигателя и расхода топлива, получить существенную прибавку мощ­ности и крутящего момента, приспособить один и тот же базовый мотор к особен­ностям различных модификаций автомо­биля. Причем диапазон изменения пара­метров весьма широк.

Хотя влияние инерционности турбонаг­нетателя можно, как видим, уменьшить, все же инженеров не оставляет мысль о приводных компрессорах. Ведь они лише­ны этого недостатка и, кроме того, помогают увеличить мощность и крутящий момент на средних оборотах, когда подача турбокомпрессора относительно невели­ка. Оригинальный компрессор со спи­ралевидным ротором опробовала фирма «Фольксваген» (рис. 4). Он весьма ком­пактен,    не   отбирает   много   мощности.

Приводится он клиновым ремнем от носка коленчатого вала, а эксцентричное дви­жение ротору придает кривошип, вра­щаемый коротким зубчатым ремнем. С таким нагнетателем и охладителем над­дувочного воздуха мощность 1300-кубового мотора увеличили с 75 до 115 л. с. — на 53%. Отмечают равномерность работы компрессора и умеренный расход топли­ва.

Более сложна и дорога система «Компрекс» (рис. 5). Ее основа — лопастной ротор, который получает движение от коленчатого вала и вращается втрое быст­рее его. На привод расходуется около 2% мощности. Воздух сжимается давле­нием отработавших газов в каналах ро­тора, образованных его лопастями и кор­пусом.

Происходит это следующим образом. При вращении ротора его каналы по­очередно соединяются с выпускным и впускным трубопроводами. Когда откроет­ся окно 2, волна давления двинется по выпускному трубопроводу 1 и напра­вит в канал ротора отработавшие газы. Волна достигла конца трубопровода — открывается окно 4, и воздух из канала, сжатый отработавшими газами, вытал­кивается в трубопровод. Но еще до того, как отработавшие газы придут к левому концу ротора, закроется сна­чала окно 2, затем окно 4. Канал с находящимися в нем под давлением отра­ботавшими газами с обеих сторон замкнут стенками корпуса.

В процессе дальнейшего вращения ро­тора этот канал подойдет к окну 3, через которое газы уйдут в выпускной трубопровод. Одновременно они подса­сывают в окно 5 свежий воздух. За­полняя канал, он охлаждает ротор. Ми­новав окна 3 и 5, канал со свежим воздухом вновь оказывается закрыт стен­ками и готов к следующему циклу.

«Компрекс» известен более 40 лет, но не применялся на автомобилях, по­скольку такой наддув возможен в узком диапазоне оборотов двигателя. Однако он лишен недостатка турбонаддува — инерционности, обеспечивает большой крутящий момент на низких частотах вращения. Поэтому к идее «Компрекса» вернулась недавно швейцарская фирма «Броун и Бовери», во многом ее усо­вершенствовав. «Феррари» не без успеха испытывал такой наддув на гоночных моторах формулы 1.

Стремясь использовать преимущества наддува во всем диапазоне работы дви­гателя, фирма «Лянча» (Италия) оснасти­ла мотор специальной спортивной моди­фикации «Дельта-С4» приводным нагне­тателем «Руте», действие которого ска­зывается на малых и средних оборо­тах, и турбокомпрессором, который иг­рает основную роль на оборотах, близ­ких к максимальной мощности.

В нашем автомобилестроении пока используется только турбонаддув на дви­гателях грузовых и внедорожных машин МАЗ, КрАЗ, БелАЗ. Двигатели с над­дувом для легковых машин все еще остаются экспериментальными. Между тем за рубежом уже накоплен богатый опыт в этой области. Так, используя турбонаддув для малолитражных дизе­лей, делают модификации легковых авто­мобилей, по динамическим качествам не уступающие машинам с бензиновыми моторами.

Задача иметь в перспективе компакт­ный, экономичный и мощный источник энергии для легкового автомобиля должна послужить нашей промышленности стимулом для более широких исследований и освоения серийного производства таких двигателей.

М. ДЕМИДОВ 

ЗА РУЛЕМ 12/88