Авто-Іркутськ, Перегляд теми
#106, лис 2007, 10:51
Хто з автолюбителів не чув чарівне слово турбо? Дзвінить у вухах, уява малює щось потужне, стрімке. На цьому тлі якось нудно звучать терміни "механічний компресор" або, найгірше - "об'ємний нагнітач". Насправді – не зовсім так. Або зовсім не так.
Який водій не мріяв про те, що б у його автомобілі жило набагато більше коней під капотом, ніж є. Якщо хтось заявить, що він не з таких, то, напевно, слукавит. Благо останнім часом цю проблему досить легко вирішити, варіантів збільшення потужності двигуна, та й комплектуючих як бруду. У наше життя щільно увійшло слово "тюнінг" і багато тюнінгових ательє беруться зробити з вашим улюбленцем все, що завгодно.
В українську мову з давніх-давен увійшов термін "форсування" (від англійського force - сила), який означає "збільшення потужності". Варто згадати, що потужність двигуна безпосередньо пов'язана з такими його основними параметрами:
- Робочим об'ємом циліндрів; - кількістю палива-повітряної суміші, що подається; - ефективністю її спалювання; - енергетичною "зарядженістю" палива. фільтрів нулегого опору, застосування прямоточної системи вихлопу, зміна параметрів програмного забезпечення (чіп-тюнінг), розточування циліндрів або переход з бензину на "нітру" (закис азоту).
Перераховані рішення дозволяють збільшити потужність, але не суттєво, якщо це не стосується "нітросу". Кардинальне рішення одне – збільшення подачі паливо-повітряної суміші. Чим більше палива спалюється в одиницю часу, тим вища потужність двигуна. Але бензин не горить "просто так", для цього потрібне повітря (кисень) - вцілком певних кількостях. Щоб збільшити подачу палива спочатку доведеться відповідним чином збільшити подачу повітря. Сам двигун з цим завданням не впорається - його можливості по всмоктування повітря обмежені (навіть при застосуванні фільтрів з нульовим опором). Тому і з'явилися ті самі "турбо", "компресори" та "нагнітачі". Вони різні і дають різні результати.
Для початку трохи теорії:
Уявімо такт впуску двигуна внутрішнього згоряння: мотор в цей час працює як насос, до того ж дуже неефективний - на шляху повітря (паливної суміші) знаходиться повітряний фільтр, вигини впускних каналів, в бензинових моторах - ще й дросельна заслінка. Усе це, звісно, знижує наповнення циліндра. Ну, а що потрібно, щоб його підвищити? Підняти тиск перед впускним клапаном - тоді паливної суміші (для дизелів - повітря) у циліндрі "вміститься" більше. Енергія згоряння заряду з великою кількістю палива, само собою, стане вищою; зросте і загальна потужність двигуна.
Для цих цілей було придумано досить багато рішень, але поширення набули не багато.
1. Роторний нагнітач Roots. Створений Френсісом Рутсом ще 1860 року. Спочатку використовувався як вентилятор для провітрювання промислових приміщень. Суть конструкції: дві прямозубі "шестірні", що обертаються в протилежних напрямках, поміщені в загальний кожух (нагадує сучасний маслонасос). Об'єми повітря у просторі між зубцями шестерень та внутрішньою стінкою корпусу благополучно доставляються від впускного колектора до випускного. У 1949 році інший американський винахідник - Ітон - удосконалив конструкцію: прямозубі "шестірні" перетворилися на косозубі ротори, і повітря тепер переміщалося не поперек їх осей обертання, а вздовж. Принципроботи при цьому не змінилося - повітря всередині агрегату не стискається, а просто перекачується в інший об'єм, звідси і назва - об'ємний нагнітач, а не компресор.
2. Спіральний компесор Lysholm. Автор ідеї – німецький інженер Крігар, час народження – кінець позаминулого століття, первісне призначення – промислове, зараз відомий під ім'ям Lysholm завдяки роботам шведського інженера Алфа Лізхолма, який наприкінці 30-х років минулого століття пристосував конструкцію для автомобільного застосування. Зовнішньо - якщо не знімати кожух - дуже схожий на нагнітач Roots. Відмінності усередині. Начебто ті ж два ротори, що обертаються назустріч один одному перекачують об'єми повітря вздовж осей, але дуже хвацько закручені. Перетини роторів набагато складніші, вони різні. Найголовніше: крок закрутки роторів змінюється по довжині, і при переміщенні вздовж осей об'єм повітря, що перекачується, в кожному осередку зменшується - повітря стискається. Тому Lysholm – не просто нагнітач, а чистої води компресор.
3. Відцентровий компресор (усталеного "фірмової" назви не має). У корпусі-равлику обертається крильчатка складної форми. Повітря засмоктується по центру і відкидається по периферії, при цьому завдяки дії відцентрових сил відбувається його стиснення. Тому це не просто нагнітач, а також компресор.
4. Турбокомпресор, воно ж турбонагнітач. По суті, це той самий відцентровий компресор, але з іншою схемою приводу. Це найважливіше, можна сказати, принципова відмінність механічних нагнітачів від "турбо", нехай навіть і "бі.", і "твін.". Саме схема приводу значною мірою визначає характеристики та області застосування тих чи інших конструкцій. У турбокомпресора крильчатка-нагнітач сидить на одному валу з крильчаткою-турбіною, яка вбудована у випускнийколектор двигуна і приводиться в обертання газами, що відпрацювали. Прямого зв'язку з колінвалом двигуна немає, і керування подачею повітря здійснюється за рахунок тиску відпрацьованих газів, так би мовити, за другою похідною. Для даної конструкції властива уповільнена реакція на швидке "підхоплення".
Як випливає з визначення, механічний нагнітач/компресор - роторний, спіральний або відцентровий - має механічний привід, який здійснюється ременем колінвалу від двигуна (іноді через проміжні шківи). Тут головне в тому, що обороти нагнітач/компресора жорстко пов'язані з оборотами коленвала.
Нагнітач Roots та компресор Lysholm
Нагнітач Roots, і компресор Lysholm мають лінійні характеристики, обороти компресора збільшуються синхронно з оборотами колінчастого валу, пропорційно зростає подача повітря, і крива моменту, що крутить, двигуна, практично не змінюючи свою форму, рівномірно переміщається вгору. У відцентрового та турбокомпресорів характеристики нелінійні – їх продуктивність збільшується зі зростанням числа оборотів. Тому установка того чи іншого агрегату по-різному змінює характеристики (криві потужності та моменту, що крутить) двигуна.
Обидва типи компресорів дуже ефективні з найнижчих оборотів, але Lysholm забезпечує більш плоску характеристику на вищих, у Roots її спад починається трохи раніше. До переваг Lysholm можна віднести і вищий ККД, і найкраще співвідношення габарити/маса, до того ж він менше нагрівається під час роботи. Робоча частота обертання зазвичай 12-14 тис. оборотів, але може сягати 25 тис. об./хв. (Варто помітити, що компанія Mercedes-Benz одна з перших почала використовувати компресора у своїх автомобілях, при чому передпост вони віддали саме роторним конструкціям.)
Ротори Lysholm з їх складною формою вимагають найвищої точності виготовлення - компресори цього типу з'явилися на ринку помітно пізніше за інші. Головні їх виробники - шведські компанії Lysholm та Autorotor. Більш відомі споживачеві фірми Kleemann, Whipple та ін. в основному постачають готові комплекти на шведській основі, розроблені для конкретних двигунів. Комплекти включають інтеркулер, систему приводу, вхідний колектор, перехідники та різну дріб'язок.
Механічний відцентровий компресор
Механічний відцентровий компресор конструктивно найпростіший і компактніший, через що дуже популярний - у американських "саморобів". Щоправда, тут потрібен проміжний механічний пристрій підвищення кількості обертів ротора (звичайний діапазон - до 100.000 об./мин.). Продуктивність нелінійна - що стоїть частота обертання, то більше вписувалося повітря подається за кожен оборот. На низах ефективність практично нульова, тому на збільшення тяги тут очікувати не доводиться. Де-небудь вище можна отримати помітний підйом кривої моменту, що крутить, але лише в досить вузькому діапазоні оборотів. Отже, знадобиться коробка зі зближеним рядом та постійна активно-втомлива робота її важелем.
Турбокомпресор, за великим рахунком - той же відцентровий компресор, але з принципово іншим приводом. Частота обертання може перевищувати 200.000 об/хв. Явна перевага: підвищення ККД та економічності мотора (механічний привід відбирає потужність у двигуна, цей же використовує енергію газів, що відпрацювали, отже, ККД збільшує). Мінус - інерційність: "вдавив" різко газ і чекай, поки мотор набере обертів, збільшиться тиск вихлопних газів, розкрутиться турбіна, з нею крильчатка нагнітача - і нарешті "піде" повітря. Але з цим явищем,іменованим "турбо-яма" (англійською "turbo-lag", що правильніше було б перекласти як "турбо-затримка" або "турбо-пауза"), навчилися боротися.
Тому, крім власне агрегату наддуву, під капотом "оселилися" два перепускні клапани: один - для газів, що відпрацювали, а інший - щоб перепускати зайве повітря з колектора двигуна в трубопровід до компресора. Цей клапан також керується тиском у впускному колекторі. Таким чином, частота обертання ротора турбіни при скиданні газу знижується незначно, і при наступному натисканні на педаль затримка подачі повітря становить десяті частки секунди - час закриття клапана.
Останнім часом стали застосовувати такий спосіб регулювання подачі повітря, як кут нахилу лопаток компресора, що змінюється. Ідея ця, знов-таки, давня, а от втілити її довго не могли; як приклад назвемо новий агрегат наддуву "опелівських" дизелів "Екотек".
Ще одна проблема використання тубін - це їхній невеликий термін життя, хоча останнім часом вдалося значно збільшити цей час. Як згадувалося, частота обертання ротора турбіни має бути дуже велика. До 150-200 тисяч об/хв. До останнього часу термін служби всього агрегату обмежувала саме довговічність підшипників. По суті, це були вкладиші, подібні до вкладок колінчастого валу, які змащувалися маслом під тиском. Знос таких підшипників ковзання був, звичайно, великий, проте кулькові не витримували величезної частоти обертання та високих температур. Вихід знайшли лише нещодавно, коли вдалося розробити підшипники із керамічними кульками. Спершу це зробили японські фірми, а згодом і шведський СКФ - і машини з такими підшипниками з'явилися на дорогах. Однак гідне здивування не застосування кераміки – підшипники заповнені постійнимзапасом пластичного мастила, тобто канал від штатної масляної системи двигуна вже не потрібний! На черзі - металокерамічний ротор турбіни, який приблизно на 20% легше виготовленого з жаростійких сплавів, та до того ж має менший момент інерції.
За своїм впливом на характеристику крутного моменту двигуна турбокомпресор начебто схожий на механічний відцентровий. Але "опосередкована" система приводу дозволяє підлаштовувати характеристики турбокомпресора в ширшому діапазоні, вирівнюючи початкові дефекти кривої моменту, що крутить мотора. Турбіни низького та високого тиску на порівняно "маломірних" двигунах Volvo, Volkswagen або Saab - це не приклади.
Що стосується "бітурбо" та "твінтурбо" замість однієї турбокомпресорної установки використовуються дві - паралельно (буває і послідовно, але рідше). Кожен ротор менший, легший, менш інерційний, більш чуйний. І керувати діапазонами їх роботи при послідовному надду-ві можна по-різному, домагаючись необхідної підсумкової показники.
Справа в тому, що ротор турбокомпресора не можна зробити великим! І все тому, що чим більший діаметр турбіни, тим вищий її момент інерції. Отже, навіть якщо водій при розгоні порізче натисне на педаль акселератора, швидкого прискорення все одно не вийде: доведеться почекати, доки турбіна набере відповідні оберти. Отже, турбіну слід зробити якнайменше по діаметру. Але надходження повітря залежить від окружної швидкості лопаток, яка тим менша, чим менше діаметр ротора: Залишається збільшувати оберти, хоча і тут є обмеження, цього разу з боку допустимих навантажень на матеріали. Ось і використовують кілька турбін із меншим діаметром у паралель.