Турбонаддув для двигуна
«ТУРБО», «КОМПРЕКС» І ПОТУЖНІСТЬ
Підвищити потужність двигуна, не збільшуючи його робочий об'єм, габарит і масу, — одне з основних інженерних завдань, які доводиться вирішувати, чи йдеться про модернізацію чи розробку нової конструкції. Потужність пропорційна тиску газів у циліндрі, а воно, у свою чергу, прямо залежить від маси палива, що згоріло. Окислення палива потребує певної кількості повітря (теоретичне співвідношення мас 1:15). Значить, щоб спалити більше палива, треба відповідно збільшити масу повітряного заряду, а для цього підвищити його щільність стисненням і подати в циліндр під тиском вище атмосферного.
Наповнення циліндрів повітрям чи горючою сумішшю під надмірним тиском називають наддувом. Для стиснення повітря застосовують нагнітачі, що приводяться механічно від колінчастого валу, або турбокомпресори, рух яким надає енергія газів, що відпрацювали.
Мал. 1. Нагнітач з механічним приводом типу «Рутс»: 1 - вікно для подачі стиснутої суміші а циліндри; 2 - корпус приводу; 3 - лопаті; 4 - фланець трубопроводу від карбюратора.
Мотори з наддувом — добрий приклад того, як автомобільний спорт є прискорювачем технічного прогресу: отримавши бойове хрещення в гонках, вони знайшли собі місце на дорожніх машинах. Перші гоночні двигуни з механічним приводом компресора з'явилися на початку 20-х років: 1921-го — на «Мерседесі» фірми «Даймлер» (Німеччина), за ним — у ФІАТу та англійського «Санбіма». Розрахунок був простий: чим більший тиск наддуву, тим вища літрова потужність. І до кінця 1930-х вона досягла 150—160 л. с./л - втричі-вчетверо більше, ніж без наддуву! Трилітровий "Ауто-Укіон" 1939 року розвивав 450, а "Мерседес-Венц" того ж обсягу - 483 л. с. при тиску наддуву 1,6 та 1,97кгс/см2 відповідно. Найбільш поширені були об'ємні нагнітачі типу "Рутс" (рис. 1). Нерідко їх встановлювали після карбюратора та стискали вже готову суміш.
Мал. 2. Турбокомпресор: 1 - випускний колектор; 2 - турбін»; 3 - патрубок приймальної труби глушника; 4 - компресор; 5 - вихід повітря у впускний трубопровід; 6 - перепускний клапан.
Ефект давався, проте, високою ціною. З підвищенням тиску наддуву зростають температура і тиск суміші в кінці стиснення - це може призвести до детонації. Щоб уникнути її, знижують ступінь стиснення – тоді погіршується використання тепла, а отже, підвищується витрата палива. Двигун стає теплонапруженішим - менше його довговічність, вище ймовірність поломок. Та й витрати потужності для приводу нагнітача зі збільшенням тиску наддуву виявляються непомірними: довоєнний мотор Мерседес-Венц з 425л. с. на це витрачав 160.
Через свої недоліки мотори з механічним приводом компресора отримали обмежене застосування на машинах, для яких витрата палива мала другорядне значення (найчастіше спортивних та гоночних). Більш практичним є турбонаддув, який широко поширився в останні роки. Тут агрегат наддуву складається з відцентрової газової турбіни та повітряного компресора, ротори яких укріплені на одному валу (рис. 2). Гази, що відпрацювали, з високою кінетичною енергією подаються з випускного колектора на лопатки колеса турбіни і змушують обертатися жорстко пов'язане з ним колесо компресора, який стискає повітря, що надходить в циліндри.
Найважливіша перевага турбонаддуву - використання енергії газів, що відпрацювали, і збільшення літрової потужності. Найбільший недолік - інерційність турбокомпресора. При різкому натисканні на педаль газу його обороти неможуть зрости миттєво - отже, і необхідна потужність досягається з деякою затримкою. Це небажано, коли треба, скажімо, пригальмувати, а потім швидко розігнати автомобіль при обгоні. У дизелі, крім того, при запізнюванні подачі повітря відбувається збагачення суміші, і частинки вуглецю, що не встигли окислитися, утворюють хмару диму. Щоб зробити інерцію мінімальною, колеса турбіни та компресора роблять малого діаметра, зате робочу частоту обертання доводять до 100 000 об/хв (іноді й вище).
Важливо всіляко скоротити теплопередачу від корпусу турбіни до корпусу компресора, щоб уникнути підігріву, а отже, зменшення густини повітряного заряду. Все ж таки в процесі стиснення температура повітря підвищується, тому при високому тиску наддуву його додатково охолоджують у спеціальному радіаторі: наприклад, у гоночному моторі «Рено» - зі 150-170 ° С до 60 ° С.
Мал. 3. Схема турбонаддува двигуна "СААБ"-9000-турбо-16": 1 - датчик розрідження; 2 - впускний колектор; 3 - датчик детонації; 4 - датчик-розподільник эажигания; 5 - перепускний клапан; б - випускний колектор; 7 - турбокомпресор; - Мікропроцесор; 9 - електромагнітний клапан; 10 - радіатор охолодження наддувного повітря.
Подача повітря пропорційна частоті обертання компресора. Коли вона близька до максимальної, подачу і, відповідно, тиск наддуву обмежують величиною, яка залежить від детонаційної стійкості двигуна, міцності його деталей і, звичайно, області застосування. Практично це роблять двома шляхами: перепускають гази, що відпрацювали, повз турбіну, тим самим знижуючи оберти компресора, або стравлюють надлишок стисненого повітря. Останній спосіб кращий, оскільки при швидкому скиданні та додаванні газу затримка у спрацьовуванні турбокомпресораменше. У серійних моторах легкових машин тиск наддуву рідко перевищує 0,8 кгс/см2, у гоночних досягає 4-4,5 кгс/см2.
У двигуні СААВ клапаном перепуску управляє мікропроцесор за сигналами від датчиків наддуву, детонації та частоти обертання (рис. 3). Для обгону можна швидко досягти максимального тиску наддуву, оскільки в двигуні, який працював із частковим навантаженням, детонація не виникає миттєво. Через кілька секунд, коли вона з'явиться, комп'ютер за сигналом датчика зменшить тиск повітря.
Турбонаддув дозволяє, не збільшуючи об'єм двигуна і витрати палива, отримати істотне збільшення потужності і крутного моменту, пристосувати один і той же базовий мотор до особливостей різних модифікацій автомобіля. Причому діапазон зміни параметрів дуже широкий.
Хоча вплив інерційності турбонагнітачів можна, як бачимо, зменшити, все ж таки інженерів не залишає думка про приводні компресори. Адже вони позбавлені цього недоліку і, крім того, допомагають збільшити потужність і момент, що крутить, на середніх оборотах, коли подача турбокомпресора відносно невелика. Оригінальний компресор зі спіралеподібним ротором випробувала фірма "Фольксваген" (рис. 4). Він дуже компактний, не відбирає багато потужності.
Наводиться він клиновим ременем від носка колінчастого валу, а ексцентричний рух ротору надає кривошип, що обертається коротким зубчастим ременем. З таким нагнітачем та охолоджувачем наддувного повітря потужність 1300-кубового мотора збільшили з 75 до 115 л. с. - На 53%. Відзначають рівномірність роботи компресора та помірну витрату палива.
Мал. 4. Нагнітач зі спіралеподібним ротором: 1 – вікно для йоду атмосферного повітря; 2 - нерухома стоїка корпусу; 3 - ротор; 4-камера стиснення; 5 - вікно для виходу стисненогоповітря.
Більш складна і дорога система "Компрекс" (рис. 5). Її основа - лопатевий ротор, який отримує рух від колінчастого валу і обертається втричі швидше за нього. На привод витрачається близько 2% потужності. Повітря стискається тиском газів, що відпрацювали, в каналах ротора, утворених його лопатями і корпусом.
Відбувається це в такий спосіб. При обертанні ротора його канали по черзі з'єднуються з випускним та впускним трубопроводами. Коли відкриється вікно 2, хвиля тиску рушить по випускному трубопроводу 1 і направить канал ротора відпрацьовані гази. Хвиля досягла кінця трубопроводу - відкривається вікно 4, і повітря з каналу, стиснене відпрацьованими газами, виштовхується в трубопровід. Але ще до того, як гази, що відпрацювали, прийдуть до лівого кінця ротора, закриється спочатку вікно 2, потім вікно 4. Канал з перебувають у ньому під тиском відпрацьованими газами з обох боків замкнені стінками корпусу.
У процесі подальшого обертання ротора цей канал підійде до вікна 3 через яке гази підуть у випускний трубопровід. Одночасно вони підсмоктують у вікно 5 свіже повітря. Заповнюючи канал, він охолоджує ротор. Пройшовши вікна 3 і 5, канал зі свіжим повітрям знову виявляється закритий стінками і готовий до наступного циклу.
"Компрекс" відомий більше 40 років, але не застосовувався на автомобілях, оскільки такий наддув можливий у вузькому діапазоні обертів двигуна. Однак він позбавлений нестачі турбонаддува - інерційності, забезпечує великий момент, що крутить, на низьких частотах обертання. Тому до ідеї «Компрекса» повернулася нещодавно швейцарська фірма «Броун та Бовері», багато в чому її вдосконаливши. "Феррарі" не без успіху відчував такий наддув на гоночних моторах формули 1.
Мал. 5. Нагнітач "Компрекс": 1 - випускний трубопровід; 2, 3 - вікнадня відпрацьованих газів; 4 - вікна для подачі стисненого повітря; 5 - вікна для свіжого повітря; б - патрубок подачі атмосферного повітря; 7 - впускний трубопровід; 8 - колінчастий вал.
Прагнучи використовувати переваги наддуву у всьому діапазоні роботи двигуна, фірма «Лянча» (Італія) оснастила мотор спеціальної спортивної модифікації «Дельта-С4» приводним нагнітачем «Рутс», дія якого позначається на малих та середніх обертах, та турбокомпресором, який відіграє основну роль на оборотах, близьких до максимальної потужності.
У нашому автомобілебудуванні поки що використовується лише турбонаддув на двигунах вантажних та позашляхових машин МАЗ, КрАЗ, БелАЗ. Двигуни з наддувом для легкових машин залишаються експериментальними. Тим часом за кордоном вже накопичено багатий досвід у цій галузі. Так, використовуючи турбонаддув для малолітражних дизелів, роблять модифікації легкових автомобілів, що за динамічними якостями не поступаються машинам з бензиновими моторами.