Содержание. 1) Виды энергии, содержащиеся в отработавшем газе, и их преобразование в турбине. а) Импульсный газотурбинный наддув. б) Газотурбонаддув с подводом к турбонагнетателю отработавшего газа с постоянным давлением. 2) Выпускной коллектор 3) Импульсный преобразователь 4) Система выпуска отработавших газов 5) Турбонагнетатель в подробностях. 6) Наддув на заказ 7) Требования к современному нагнетателю.
8) Сшитый на заказ турбонагнетатель. 9) Различные типы турбонагнетателей. а) Осевая турбина. б) Радиальная турбина. в) Турбина смешанного типа. Управление отработавшим газом. Виды энергии, содержащиеся в отработавшем газе, и их преобразование в турбине. При газотурбонаддуве различают два противоположных варианта использования содержащейся в отработавшем газе энергии для привода турбины: импульсный газотурбинный наддув или газотурбинный наддув
с подводом отработавшего газа с постоянным давлением. Оба вида имеют свои характерные признаки. При газотурбонаддуве с подводом к турбонагнетателю отработавшего газа с постоянным давлением используется термическая энергия, которая освобождается в результате спада давления и температуры до и после впуска в турбину. Импульсный наддув, напротив, использует кинетическую энергию отработавших газов, которая определяется
скоростью выходящего из цилиндров двигателя отработавшего газа. В зависимости от типа наддува формируется и коллектор отработавших газов. Соответственно и корпус турбины также должен быть сконструирован по-другому. В то время как в секторе грузовых автомобилей имеют дело исключительно с импульсным наддувом, для сектора легковых автомобилей используется смешанная форма из указанных выше типов наддува.
Поэтому не следует вводить кого-либо в заблуждение, когда часто говорят о том, что «отработавший газ скапливается перед турбиной». Долевой эффект от импульсного наддува при использовании его в секторе легковых автомобилей по меньшей мере точно так же высок, но сначала он был основательно преобразован с помощью прогрессивных разработок и с учетом получаемых от этого результатов. Импульсный газотурбинный наддув. При импульсном газотурбинном наддуве, как уже было сказано выше, используется
кинетическая энергия выходящих из цилиндров газов. Для этого необходимы отдельные выпускные трубопроводы и рекомендуемые многоструйные впускные корпуса турбин. Для подводки выпускных трубопроводов при этом соответственно объединяются расположенные в порядке зажигания далеко друг от друга цилиндры. Таким образом, четырехцилиндровому двигателю необходимо иметь два выпускных трубопровода, пятицилиндровому – три и шестицилиндровому соответственно два отдельно подведенных
трубопровода. Длины и поперечные сечения этих трубопроводов, как и у оптимального двигателя без наддува, должны быть согласованы. Однако на основании специфических условий или конструктивных данных часто невозможно получить оптимальное исполнение импульсного газотурбонаддува. В результате этого при импульсном наддуве перед турбиной нагнетателя создаются переменные степени сжатия; за счет этого импульсный наддув улучшает коэффициент полезного действия турбины и характер срабатывания
турбонагнетателя. Помимо этого давление наддува спадает не так уж сильно в соответствии с частотой вращения, как это происходит при чистом наддуве с подводом отработавшего газа постоянного давления. Импульсный газотурбонаддув является стандартом для грузовых автомобилей, в которых специально для этого применяется двухструйный впускной корпус турбины (так называемая двойная лопаточная турбина). Здесь потоки отработавших газов от выпуска двигателя до впуска в турбину ведутся по отдельности, при
этом всегда в один поток вбрасывают отработавший газ те цилиндры, которые по интервалу между вспышками и впуском согласованы друг с другом, так что при смене заряда никаких взаимных помех не происходит. Таким образом, импульсы газа беспрепятственно достигают колеса турбины, без того, чтобы один цилиндр столб газа выпускающего соседнего цилиндра в свою очередь впускал в камеру сгорания. Однако практикуемый в таком виде «классический» импульсный газотурбонаддув трудно реализовать в двигателях
легковых автомобилей. Ну, а в дизельных двигателях это затруднительно сугубо по причине размеров корпуса турбины: средний язычок, который у двухструйных корпусов турбины отделяет впускные каналы друг от друга, получается здесь слишком тонким, чтобы противостоять нагрузкам импульсных волн. У бензиновых двигателей к тому же еще добавляется аспект допустимых термических нагрузок корпуса турбины и среднего язычка. В качестве наглядного примера из истории газотурбонаддува рекомендуется в этой связи
взглянуть на первый дорожный турбоавтомобиль Германии, BMW 2002. Этот двигатель использует импульсный наддув с двухструйным корпусом турбины. Но нагнетатель здесь оказался не очень надежным, и это стало причиной того, что этот BMW через год тихо убрался с авторынка. Однако чистокровный импульсный турбонаддув с двухструйным корпусом турбины для сектора легковых автомобилей окончательно не умер: в конце прошедшего столетия
Volvo вновь бросил вызов и использовал его на своем S/V 40. Но, несмотря на все это, импульсный газотурбонаддув, хотя не в своем классическом исполнении, практикуется на бензиновых двигателях. То, что при этом могут быть использованы и одноструйные корпуса турбин, доказал пионер турбо Porsche. Biturbo 911 вполне подходит для импульсного газотурбонаддува: как многорядный двигатель он имел цилиндры с сочетающимися интервалами между вспышками в отдельном блоке;
по три цилиндра с углом поворота коленчатого вала в 240° нагружали турбину почти друг за другом; при этом минимальное наложение появлялось здесь за счет небольшого различия в длинах отдельных отводных трубопроводов. Но они были кратковременными, что допускало использование импульсной энергии. Эти трубопроводы должны как можно позже быть сведены перед турбиной, для чего предусматривался магистральный трубопровод, объединяющий все три выпускных трубопровода; благодаря чему как раз этот тип импульсного
газотурбонаддува уже не являлся «классическим». Подобным образом поступил и Audi со своим 2,7-литровым Biturbo. Такая конструкция сберегает как тепловую, так и кинетическую энергию отработавших газов. А отсюда соответственно растет и коэффициент полезного действия турбины. Собственно, и производители рядных четырехцилиндровых двигателей интересовались тем, как и использовать достоинства импульсного газотурбонаддува. Но условия здесь для этого были уже не такими, как у многорядного
шестицилиндрового двигателя или у трехцилиндрового (600 см3. Smart-двигатель), поскольку у четырехцилиндрового мотора соответственно одновременно открыты выпускные клапаны двух «не согласованных» цилиндров. Это провоцирует взаимное воздействие цилиндров друг на друга. Но как будет подробно описано ниже, разумное конструирование выпускного коллектора позволило все-таки реализовать достоинства импульсного газотурбонаддува и в четырехцилиндровых двигателях.
Импульсный газотурбонаддув можно найти и в другом месте, а именно, в двигателе Ванкеля. Испускаемый отработавший газ в непарных фазах подается на турбину. Первая фаза – это нагрузка турбины за счет импульса газа, вторая фаза оказывает влияние на колесо турбины путем расширения и вызывает тем самым дополнительное ускорение. Импульсный эффект выходящего газа объясняется внезапным открытием выпускного тракта.
В противоположность роторно-поршневому двигателю здесь газ выходит не через клапаны, а через щели. Поэтому пример с двигателем Ванкеля очень примечателен, так как спортивные автомобили RX-7 от Mazda с двигателем Ванкеля, имеющие данный вариант наддува, предлагались на авторынке. Газотурбонаддув с подводом к турбонагнетателю отработавшего газа с постоянным давлением. Если исходить из того факта, что в двигателях легковых автомобилей одноструйный впускной корпус турбины
и одноэлементный магистральный трубопровод стали уже стандартом, то уже, поэтому для легковых автомобилей следовало бы остановиться на другой форме использования потока отработавших газов: на турбонаддуве с подводом к турбонагнетателю отработавшего газа с постоянным давлением. Но это верно лишь отчасти. При подобного рода турбонаддуве кинетическая энергия потока отработавших газов теоретически не учитывается. Отработавший газ от всех цилиндров сводится в один крупногабаритный
коллектор и затем подводится к турбине. Давление газа при этом перед турбиной – соответственно, относящееся к определенной точке нагрузки -постоянно. С таким наддувом эксплуатируются стационарные двигатели, у которых нет зависимости ускорения от резервов крутящего момента. Его можно встретить у многих производителей судовых двигателей (например, MAN B&W); чтобы улучшить характер нестационарности (вход в порт, маневрирование), при смене нагрузки
часть сжатого воздуха используется для продувки. Газотурбонаддув с подводом к турбонагнетателю отработавшего газа с постоянным давлением можно реализовать с меньшими затратами (меньше дорогостоящих выпускных трубопроводов). Чтобы гарантировать на высоких частотах вращения необходимую высокую производительность турбины, нужно усмирять в моторах с таким наддувом пульсации отработавших газов в указанных выше магистральных коллекторах. Их щедрый на размеры объем вызывает небольшое противодавление отработавших газов, которое не используется
для раннего формирования давления наддува на низких оборотах. И все-таки нужно прямо спросить с автомобильного мотора: кто может предоставить много крутящего момента при низких оборотах. Естественно, только тот, кто использует потенциал содержащейся в отработавшем газе кинетической энергии. Поэтому и используются трубопроводы с узким поперечным сечением, благодаря которым повышается скорость выходящего отработавшего газа.
При этом справедливо: отдельные выпускные трубопроводы должны по возможности подводиться по отдельности (для уменьшения взаимного воздействия при «неблагоприятных» интервалах между вспышками), чтобы затем слиться непосредственно перед впуском в турбину в один магистральный коллектор. Это, естественно, связано с очень большими потребностями места в моторном пространстве и поэтому для серийных автомобилей следует пойти на компромисс, чтобы в процессе изготовления установить в кузове
полностью смонтированный турбоагрегат. И здесь, естественно, все преимущества за тюнингом, когда все изменения существующего двигателя можно проводить непосредственно в смонтированном состоянии (смотрите также главу, посвященную тюнингу). Практикуемое в двигателях легковых автомобилей преобразование энергии отработавшего газа складывается, таким образом, из одной половины в виде импульсного наддува и второй половины – газотурбонаддува с подводом отработавшего газа с постоянным давлением.
Выпускной коллектор Как видно на примерах использования этих двух вариантов газотурбонаддува, работа турбины, прежде всего, зависит от геометрии и конструкции выпускного коллектора. Если необходимо получить хороший коэффициент полезного действия турбины, то следует по-настоящему отрегулировать отдельные выпускные потоки цилиндров. И это необходимо еще и потому, что у двигателей легковых автомобилей поровну практикуется как импульсный наддув, так и газотурбонаддув с подводом отработавшего газа с постоянным
давлением. Импульсный преобразователь Особой формой выпускного коллектора является «импульсный преобразователь». Английское выражение достаточно точно отражает смысл этого компонента, речь идет здесь о регулировании или конвертировании потока отработавших газов. Импульсный преобразователь помогает там, где из-за неблагоприятных интервалов между вспышками нельзя больше использовать импульсный наддув с двухструнными впускными корпусами турбин. Но чтобы и при таких условиях можно было использовать кинетическую энергию отработавших газов
для привода турбины, объединяемые отдельные потоки отработавшего газа так подводятся к импульсному преобразователю, чтобы не создавалось ни запирающих, ни обратных потоков. Происходит, напротив, тип динамического обмена между отдельными потоками, которые соответственно получают ускорения в направлении впуска в турбину. При конструировании такого преобразователя помимо необходимого поперечного сечения трубопроводов учитывают также и геометрию разделительного элемента в разветвлении
отдельных потоков. Этот разделительный элемент оказывает существенное влияние на скорость и направление потока отработавших газов. Импульсный конвертер пригоден для всех распространенных типов двигателей легковых автомобилей: четырех пяти и восьмицилиндровых агрегатов. Даже когда в сфере легковых автомобилей, за исключением Volvo, не используют двойных лопаточных турбин и не применяют чистую форму импульсного наддува, то все
равно современные выпускные коллекторы все больше и больше похожи на импульсные преобразователи. Форма и исполнение коллектора не бросает на произвол судьбы и случая потоки отработавших газов, а руководит отдельными потоками в системе. Типичным примером импульсного преобразователя на основе коллектора является 2,2-литровый пятицилиндровый бензиновый турбодвигатель Audi, который в своем последнем исполнении в 1991 году имел мощность 169 кВт/230 л.с. Здесь были реализованы три подводящих канала к одноструйной турбине, у которой
потоки отработавшего газа, один из одного цилиндра и второй из двух цилиндров, сводились только перед впуском в турбину. Несмотря на неблагоприятные интервалы между вспышками с углом поворота коленчатого вала 144° в конечном итоге создавался импульсный наддув, так как благодаря позднему сведению потоков отработавших газов сохранялась кинетическая энергия отдельных потоков и уменьшались обратные потоки в соседние цилиндры. Система выпуска отработавших газов
Что в народе часто понимают под «выхлопной трубой», то в турбодвигателе представляет из себя внешне дорогостоящую и достаточно сложную картину, состоящую из чугунного коллектора, клапанов, газопроводов и глушителей, причем последний непосредственно у турбодвигателя может и отсутствовать, поскольку сама турбина уже функционирует как первичный глушитель. В системах выпуска отработавших газов проявляется одно из серьезных различий в концепции двигателей
с механическим наддувом, так как их системы выпуска в принципе смогут отталкиваться от базового мотора. Поскольку у турбодвигателя весь отработавший газ частично проходит через турбонагнетатель, а частично через байпасный клапан, то эти два компонента являются интегрированной составной частью системы отвода отработавших газов. При конструировании комплексной системы выпуска отработавших газов турбодвигателя следует поэтому прежде всего принимать во внимание следующие два фактора: •
Прочность и стойкость системы и соединений • Термодинамическое согласование с турбонагнетателем. Что касается прочности и стойкости системы выпуска отработавших газов, то здесь возникают крупные проблемы, которые в большей части проявляются в зоне коллектора перед газотурбонагнетателем. Тепловая нагрузка здесь вследствие противодавления в турбине существенно выше по сравнению со свободно протекающим потоком отработавшего газа в двигателе без наддува.
Это приводит – прежде всего у бензиновых двигателей из-за высоких температур отработавших газов – не только к необходимости использования жаропрочных и соответственно дорогостоящих материалов для коллектора; ранее это были преимущественно высоколегированное хромоникелиевое стальное литье или специальные, зарегистрированные марки литья. Сегодня встречаются уже у турбобензиновых двигателей (например, Audi 2,7-литровый Biturbo) «коллекторы из листовой стали» в форме систем трубопроводов с изолированными
воздушными зазорами, которые требуют ничуть не меньше затрат по сравнению с литыми коллекторами, а напротив, обходятся еще дороже. О таком виде высокотехнологичных системы еще подробней поговорим. До сегодняшнего дня остается еще, разумеется, дорогостоящим закрепление нагнетателя на коллекторе, поскольку пока еще не идет речь об «интегральной нагнетательной системе», как мы увидим в следующих главах. Так как коллектор в результате нагревания (у бензиновых двигателей температура может доходить
до 1500°С) достаточно активно работает, то введение уплотнений и болтовых соединений в головки цилиндров затруднительно. Высокожаропрочные винты, специальные муфты, смотря по обстоятельствам, отдельный коллектор и компенсаторы из высококачественной стали обуславливают соответственно конструкторские и экспериментальные затраты, которые едва ли сравнимы с затратами подобных работ у двигателей без наддува. Не столь сложна эта проблема у дизельных двигателей, которые имеют более низкие тепловые нагрузки;
ибо значения температур отработавших газов, которые достигаются в турбодизелях с системами непосредственного впрыскивания, чаще всего находятся ниже 700°С. Тем не менее, выпускной коллектор должен выдерживать не только высокие температуры и связанные с ними нагрузки, но и нести на себе всю тяжесть нагнетателя, который, как правило, посредством фланцевого соединения закрепляется непосредственно на коллекторе. Это может, в частности, в плохо отрегулированных двигателях с произвольной инерцией масс (например,
рядный четырехцилиндровый двигатель и тем более будущие трехцилиндровые двигатели) привести к появлению проблем со сроком эксплуатации, на которых мы еще остановимся в соответствующей главе при рассмотрении нагрузок турбодвигателей. При использовании общепринятых еще несколько лет назад отдельных клапанов регулирования давления наддува, при наличии которых коллектор имел разветвление перед турбиной, раньше также должны были при конструировании и назначении параметров коллекторов учитываться их слабые места.
На сегодня эти отдельные «перепускные» клапаны и трубопроводы скорее являются исключением; а распространенные сейчас и встроенные в корпус турбины байпасные каналы, естественно, уже не создают коллектору никаких проблем. По меньшей мере, также важны, наряду с прочностью и закреплением, и термодинамические параметры системы выпуска отработавших газов турбодвигателей. Здесь нужно считаться с типом загрузки турбины, совершается ли она импульсным наддувом или наддувом
с подводом отработавших газов с постоянным давлением. Из чего в соответствующих случаях состоят системы выпуска, уже шла речь в главе, посвященной этим видам газотурбонаддува. Когда отдельно встроенные байпасные клапаны еще считались стандартом, то головную боль и создавал другой фактор: речь идет о перепускном канале, таком отводе от коллектора перед турбиной, который заботился о снабжении клапана регулирования давления наддува отработавшим газом.
Как мы еще далее увидим, этот канал тоже сегодня интегрирован в корпус турбины. Но для обеих альтернатив справедливо: необходимы специальные уловки, чтобы не оказать отрицательного влияния на коэффициент полезного действия турбины. У некоторых, но редко используемых, отдельных перепускных клапанов имеется дополнительный объем, который затрудняет использование содержащейся в отработавшем газе кинетической энергии, у встроенных каналов
имеется риск неоптимального обтекания турбины основным потоком масс отработавшего газа. Нарушение такого обтекания – и это относится, естественно, и к не оптимально уложенным перепускным каналам при наличии отдельных байпасных клапанов – может возникать в том случае, когда ответвление перепускного канала неблагоприятно исполнено и при открытии клапана регулирования давления наддува из-за разветвления потока образуются завихрения, которые препятствуют поступлению отработавших газов в корпус турбины и
тем самым приводят к появлению высокого скоростного напора, что, естественно, не способствует хорошему коэффициенту полезного действия нагнетателя. Также и другое направление в системах выпуска обуславливает сегодня наличие мастерства у конструкторов: оно относится к размещению каталитических нейтрализаторов и учету связанных с ними термических параметров, чтобы нейтрализаторы при холодном запуске по возможности раньше смогли начать свою работу. Сначала о самом нейтрализаторе: поскольку он как деталь является мешающим
фактором (вследствие противодавления) в системе выпуска отработавших газов, то конструктивно должен в этом отношении как можно меньше бросаться в глаза. Преимуществами обладают металлические каталитические нейтрализаторы, которые по своему материалу, по сравнению с керамическими нейтрализаторами, допускают более тонкие стенки и большие поперечные сечения в сотовой структуре. Это снижает, в конечном счете, и противодавление, но является очень дорогим удовольствием.
Металлическими каталитическими нейтрализаторами вооружил Porsche свой 911 Turbo (Biturbo, модельный год 1994). Porsche уже давно догадывался о достоинствах металлических каталитических нейтрализаторов; его двигатель без наддува имел их уже в 1988 году. На 911 Turbo использовался носитель с так называемой «TS»-структурой. Эта структура гарантировала не только эффективное прохождение отработавшего газа и соответствующую
нейтрализацию, но к тому же имела еще и то преимущество, что плотность ячеек при одинаковом объеме и одинаковой эффективности слабо падает – что к тому же способствует небольшому противодавлению и одновременно еще меньшему весу.