Турбокомпрессоры для двигателей внутреннего сгорания

Турбокомпрессоры для двигателей внутреннего сгорания

 

Турбокомпрессоры для двигателей внутреннего сгорания, как и нагнетатели предна­значены для увеличения массового расхода воздуха при данных рабочем объеме и частоте вращения коленчатого вала, и тем самым, повышения плотности мощности. Вот о том как работает турбокомпрессор, мы и поговорим в этой статье.

 

 

 

 

Турбокомпрессор, приводится в действие отработавшими газами. Мощность, требуемая для привода, генерируется за счет расширения отработавших газов, т.е. исполь­зования части энергии отработавших газов. Турбокомпрессор и двигатель соединены друг с другом только термодинамически. В этом от­ношении особым случаем является турбоком­прессор с вспомогательным механическим или электрическим приводом.

Из всех нагнетательных устройств наиболее распространенным является турбокомпрессор, приводимый в действие отработавшими газами. В то время как в настоящее время практически 100 % дизельных двигателей легковых и ком­мерческих автомобилей снабжены наддувом, доля бензиновых двигателей с наддувом будет значительно возрастать в течение нескольких следующих лет. Здесь также основным нагне­тателем будет турбокомпрессор, приводимый в действие отработавшими газами.

Конструкция и принцип действия турбокомпрессора

 

Турбокомпрессор состоит из двух турбоэлемен­тов: турбины и собственно компрессора, при­чем их рабочие колеса установлены на общем валу (см. рис. «Разрез турбокомпрессора, приводимого в действие отработавшими газами» и «Разрез турбокомпрессора, приводимого в действие отработавшими газами, оборудованный перепускной заслонкой» ). Работа турбоэлементов основана на физическом принципе создания момента. Турбина преобразует некоторую часть энергии, содержащейся в отработавших газах, в механическую энергию, необходимую для привода компрессора. Компрессор засасы­вает свежий воздух через воздушный фильтр и сжимает его.

 

Разрез турбркромпрессора, приводимого в действие отработавшими газами

 

Таким образом, турбокомпрессор, приво­димый в действие отработавшими газами, соединен с двигателем автомобиля только термодинамически, но не механически.

Частота вращения ротора турбокомпрессора не зависит от частоты вращения коленчатого вала двигателя, но она в значительной степени определяется балансом энергии, получаемой турбиной и отдаваемой компрессору. Турбина генерирует мощность, необходимую для при­вода компрессора, которая в основном теря­ется в подшипниках, и в конечном итоге рас­сеивается в виде тепла (механические потери).

Области применения турбокомпрессоров

 

Турбокомпрессор, приводимый в действие отработавшими газами, в его настоящей форме уходит корнями к работам Альфреда Бюхи (1905), который уже тогда увидел потенциал объединения наддува и перекрытия клапанов для очистки остаточных отработав­ших газов. Турбокомпрессоры, приводимые в действие отработавшими газами, традиционно применялись для наддува на больших дизель­ных двигателях грузовых автомобилей, судов и железнодорожных локомотивов, а также сельскохозяйственных и строительных машин.

 

 

Применение турбокомпрессоров на автомобильных дизельных двигателях

 

Первые дизельные двигатели легковых авто­мобилей, оборудованные турбокомпрессорами, приводимыми в действие отработавшими газами, увидели свет в середине 1970-х годов. Появле­ние «перепускной заслонки» для регулирова­ния давления наддува окончательно утвердило концепцию двигателя, ориентированного на крутящий момент, и позволило значительно по­высить гибкость. Дальнейшее повышение рабо­чих характеристик легковых автомобилей было достигнуто за счет применения систем прямого впрыска топлива (1987) и турбокомпрессоров с изменяемой геометрией турбины (1996) или систем двухступенчатого турбонаддува (2004). Результатом этих инноваций стало заметное увеличение на европейских рынках доли автомо­билей с дизельными двигателями. В настоящее время в Европе все дизельные двигатели легко­вых и коммерческих автомобилей оборудуются турбокомпрессорами, приводимыми в действие отработавшими газами и промежуточными охла­дителями (охладителями наддувочного воздуха).

 

Разрез турбокомпрессора, приводимого в действие отработавшими газами, оборудованный перепускной заслонкой

 

Применение турбокомпрессоров на легковых автомобилях с бензиновыми двигателями

 

Применение турбонаддува бензиновых дви­гателей первоначально оставалось резервом повышения мощности только для мощных двигателей спортивных автомобилей и из-за неадекватной управляемости («запаздывания») турбонаддув относительно редко применялся на серийно выпускаемых легковых автомобилях. Однако в дальнейшем появилась тенденция к применению турбонаддува на бензиновых дви­гателях малой и средней мощности. В дополне­ние к повышению к.п.д., одна из основных целей заключалась в том, чтобы избежать увеличения количества цилиндров и связанного с этим уве­личения размеров двигателя и расхода топлива.

В отличие от дизельных двигателей, в настоя­щее время, хотя и в меньшей степени, приме­няются нагнетатели с механическим приводом (по соображениям, обусловленным рынком, а также благодаря превосходным характеристи­кам в переходных режимах, когда требуется быстрое увеличение давления наддува). В на­стоящее время бензиновые двигатели с прямым впрыском топлива, оборудованные турбоком­прессорами, приводимыми в действие отрабо­тавшими газами, практически достигли уровня двигателей с нагнетателями с механическим приводом в отношении скорости увеличения давления наддува в переходных режимах.

В настоящее время для повышения мощности и крутящего момента бензиновых двигателей с небольшим рабочим объемом при относительно небольшой частоте вращения коленчатого вала применяются комбинации механического над­дува и турбонаддува с использованием отрабо­тавших газов (комбинированный наддув).

В то время как турбокомпрессор, приво­димый в действие отработавшими газами, с изменяемой геометрией турбины является стандартным нагнетателем для дизельных двигателей, высокие температуры и затраты, связанные с использованием этой технологии, до сих пор позволяют использовать ее для бензиновых двигателей только в ограниченной степени, в некоторых сегментах рынка.

В отношении содержания вредных веществ в отработавших газах и расхода топлива, а также иных рабочих характеристик важность турбонаддува при помощи турбокомпрессо­ров, приводимых в действие отработавшими газами, на разрабатываемых новых двигателях с малым рабочим объемом и уменьшенным количеством цилиндров будет возрастать. Сегодня мы наблюдаем резкий рост выпуска бензиновых двигателей с турбонаддувом, и в течение нескольких следующих лет ожидается Резкий рост этого сектора рынка.

 

 

Конструкция турбокомпрессора, приводи­мого в действие отработавшими газами

 

Турбокомпрессор, приводимый в действие от­работавшими газами, состоит из трех основ­ных узлов: центрального корпуса, компрессора и турбины. В зависимости от конструкции, тур­бокомпрессор может также содержать устрой­ство для регулирования давления наддува.

Несущий корпус турбокомпрессора

 

В несущем корпусе находятся подшипники и Уплотнения вала. В современных конструкциях применяются как радиальные, так и упорные под­шипники Радиальные подшипники представляют собой вращающиеся двойные втулки или непод­вижные подшипниковые втулки. Выбор системы подшипников определяется требованиями к ста­бильности, потерям мощности и уровню шума.

Для демпфирования вибрации подшип­никовые втулки смазываются противотоком масла («плавающая втулка»). Масло также выполняет функцию охлаждения, в особен­ности вала. Упорный подшипник в обычных конструкциях представляет собой втулку со шлицами, испытывающую нагрузку с обеих сторон, и смазываемую центрально или инди­видуально для каждой поверхности шлицев. Подача смазочного масла осуществляется за счет соединения турбокомпрессора с систе­мой смазки двигателя. Масло выпускается из турбокомпрессора прямо в масляный поддон картера двигателя. В настоящее время под­шипниковые узлы такого типа обеспечивают скорость вращения более 300 000 мин-1.

Ожидается, что применение роликовых под­шипников даст дополнительные преимущества в отношении скорости повышения давления и более высоких давлений наддува в диапазоне частич­ных нагрузок. До настоящего времени роликовые подшипники использовались в качестве подшип­ников роторов турбокомпрессоров в основном на гоночных автомобилях. Для использования этих роторов на стандартных автомобилях не­обходимо решить проблемы, касающиеся срока службы и долго сохраняемых акустических ха­рактеристик. С целью дальнейшего повышения эффективности или расширения возможностей выбора мест установки, а также полного исклю­чения возможности перелива масла, в настоящее время ведутся интенсивные разработки в области создания альтернативных конструкций подшип­никовых узлов, таких как узлы на воздушных или магнитных подшипниках.

Для уплотнения масляной камеры и сведе­ния к минимуму проникновения наддувочного воздуха («прорыва») и отработавших газов внутрь нагнетателя навалу устанавливаются поршневые кольца, которые совместно с канавками в корпусе подшипника образуют простое лабиринтное уплотнение. В некото­рых особых случаях уплотняющий эффект можно повысить за счет установки допол­нительного поршневого кольца на боковых сторонах компрессора и турбины, воздухо­непроницаемого уплотнения или скользя­щих кольцевых уплотнений (до настоящего времени возможно только на холодной стороне компрессора). Современная техно­логия уплотнений ограничивает возможности установки турбокомпрессоров, приводимых в действие отработавшими газами, отно­сительно небольшим диапазоном наклона. В этом отношении полезными были бы кон­тактные уплотнения, однако до настоящего времени они не смогли быть реализованы с разумными затратами из-за высоких относи­тельных скоростей вращения вала.

Для обеспечения эффективной работы под­шипниковых узлов при умеренных наружных условиях в моторном отсеке, т.е. при темпе­ратуре отработавших газов до 820 °С, никаких дополнительных мер охлаждения не требуется. Поддержание температуры ниже критических значений осуществляется применением тепло­вого экрана и теплоизоляцией корпуса под­шипника. При более высоких температурах отработавших газов, например, на бензиновых двигателях, где они могут доходить до 1050 °С, или на некоторых дизельных двигателях при­меняется жидкостное охлаждение корпусов подшипников.

 

 

Компрессор турбокомпрессора

 

Компрессор турбонагнетателей легковых и коммерческих автомобилей состоит из осе­вого всасывающего рабочего колеса и ра­диального нагнетательного рабочего колеса (центробежной конструкции) и, в общем слу­чае, литого корпуса из алюминиевого сплава без направляющих лопастей. В корпусе поток замедляется, при этом происходит некоторое повышение давления. Для эффективной ра­боты компрессора решающее значение имеет минимальный зазор между рабочим колесом и корпусом.

Массовое производство рабочих колес из алюминиевого сплава осуществляется с при­менением специального литейного процесса. В настоящее время все более широко применя­ются рабочие колеса из алюминиевого сплава, изготавливаемые путем ковки. В случае более строгих требований, в частности требований к сроку службы, на коммерческих автомобилях используются рабочие колеса из титанового сплава, что, однако является весьма дорого­стоящим. В некоторых случаях, например, на двигателях, оборудованных системой рецирку­ляции отработавших газов низкого давления, когда в нагнетаемом компрессором воздухе содержатся отработавшие газы, на рабочее колесо наносится специальное покрытие.

Несмотря на то, что рабочее колесо ком­прессора вносит значительно меньший вклад в момент инерции ротора, чем колесо турбины, его величина также имеет значение на холод­ной стороне компрессора. Из-за высоких тре­бований к рабочим характеристикам и сроку службы попытки применения пластмассовых рабочих колес до настоящего времени оказа­лись безуспешными.

График степени сжатия с типичными эксплуатационными кривыми двигателяХарактеристика компрессора описывается диаграммой, представленной на рис.  «График степени сжатия с типичными эксплуатационными кривыми двигателя» . В от­личие от нагнетателя вытеснительного типа ха­рактеристика поточного компрессора включает диапазоны, в которых его стабильная работа ока­зывается физически невозможной. Посредством реализации соответствующих мер эффективный диапазон, а также характеристики скорости и к.п.д. компрессора могут быть адаптированы к требуемой кривой давления наддува. Эффек­тивный диапазон компрессора определяется на «левой» стороне диаграммы (т.е. максималь­ной достижимой степени повышения давления при данном расходе) границей помпажа, а на «правой» стороне (максимальная возможная производительность, ограниченная достиже­нием скорости звука в самом узком поперечном сечении) — пределом дросселирования. Граница помпажа определяется как граница перехода из диапазона стабильных рабочих состояний в диапазон нестабильных состояний.

Нестабильное состояние означает, что в результате изменения потока (обычно на стороне всасывания) ини­циируется процесс периодического прерывания и восстановления массового расхода воздуха, т.е. возникает эффект помпажа. Среди прочих факторов граница помпажа определяется также конструкцией впускной линии. Таким образом, граница помпажа является не характеристикой компрессора, а характеристикой системы в целом. Предел дросселирования, идентифицируемый диапазоном резко спадающих кривых скорости на диаграмме, определяется, исходя из свободного впускного поперечного сечения рабочего колеса компрессора и, следовательно, его диаметра.

Ввиду пропорциональности частоты вра­щения коленчатого вала и объемного расхода компрессора легко сделать вывод о том, что компрессоры для наддува бензиновых двига­телей должны иметь значительно большую эффективную ширину диаграммы, например, компрессоры для больших дизельных двигате­лей. Представленная на рис. «График степени сжатия с типичными эксплуатационными кривыми двигателя» безразмерная диаграмма демонстрирует требования к объ­емному расходу воздуха для двигателей легко­вых и коммерческих автомобилей и больших двигателей высокой мощности.

Точная аэродинамическая адаптация ком­прессора к соответствующим требованиям мо­жет быть осуществлена посредством модифика­ции геометрии компонентов, где рабочее колесо и корпус должны рассматриваться как единый компонент, а критерии прочности и частоты собственных колебаний должны быть учтены в конструкции рабочего колеса. Диффузор с на­правляющими лопатками мог бы действительно повысить эффективность в расчетной точке, однако при идентичной геометрии отклонение от расчетной точки вызвало бы снижение эффек­тивности. Поэтому на легковых автомобилях, ввиду большого разброса массового расхода воздуха, для наддува используются только турбокомпрессоры без направляющих лопаток.

Встроенные в корпус рециркуляционные ка­налы («продувка» посредством возврата части потока на вход компрессора) или геометриче­ски согласованная конфигурация впускного канала (предварительные объемы) также ис­пользуются для расширения и стабилизации Рабочего диапазона.

На рабочий диапазон компрессора в пределах разницы помпажа могут оказать положительное влияние различные дополнительные устрой­ства, например, компоненты, генерирующие завихрения потока на впуске, или диффузоры с поворотными регулируемыми лопатками для Устранения завихрений на выходе потока из Рабочего колеса компрессора в зависимости от рабочей точки. Другими словами, благодаря этим устройствам компрессор может работать в таком рабочем режиме, в котором без этих устройств граница помпажа была бы превы­шена. Компрессоры с изменяемой геометрией до настоящего времени не были запущены в се­рийное производство, за исключением простого предварительного диффузора, лопатки кото­рого поворачиваются на определенный угол по мере возрастания массового расхода (сил потока) и возвращаются в исходное положение по мере его снижения за счет сил упругости.

Компрессоры, предназначенные для турбо­наддува бензиновых двигателей, снабжаются предохранительным клапаном, задачей кото­рого является предотвращение помпажа при быстром снижении нагрузки (т.е. при закрытии дроссельной заслонки). Предохранительный клапан (ранее с пневматическим приводом, но в настоящее время в основном с электри­ческим управлением) открывает перепускной канал между впуском и выпуском компрес­сора таким образом, что в течение короткого времени компрессор работает как вентилятор. Сегодня посредством применения электрически управляемого регулятора давления наддува и иных мер можно предотвратить помпаж и га­рантировать надежную работу компрессора без использования предохранительного клапана.

 

 

Турбина турбокомпрессора

 

Турбина состоит из диффузора и рабочего ко­леса. Диффузор турбины встроен в спираль­ный корпус и, если на турбокомпрессоре для легкового автомобиля установлена турбина с неизменной геометрией, диффузор не имеет лопаток. Диффузоры с фиксированной геоме­трией и лопатками часто применяются в тур­бокомпрессорах для больших двигателей для лучшего распределения потока. В диффузоре поток ускоряется и распределяется по рабочему колесу турбины как можно более равномерно.

Турбина для стандартных применений пред­ставляет собой центростремительную турбину, т.е. имеет радиальный впуск и аксиальный вы­пуск. Благодаря своему небольшому моменту инерции часто применяются полуаксиальные рабочие колеса. Они имеют диагональный впуск и аксиальный выпуск. В турбинах боль­шой мощности применяются аксиальные колеса с аксиальным впуском и выпуском. Тип конструкции оказывает влияние на до­стижимый перепад давления, к.п.д и иные характеристики компрессора. Вообще говоря, чем больше массовый расход, тем большие преимущества предлагает аксиальная машина. И напротив, чем меньше массовый расход воз­духа, тем целесообразнее применение турбины с радиальным впуском.

Важную роль в процессе турбонаддува играет расположение трубопроводов отработавших га­зов. Традиционно проводится различие между импульсным наддувом и наддувом при посто­янном давлении. В случае импульсного наддува эти трубопроводы прокладываются к корпусу турбины отдельно. Цилиндры, импульсы выпуска которых оказывают минимальное влияние друг на друга и на процесс продувки каждого цилиндра, соединяются на стороне отработавших газов. Корпус турбины имеет такую конструкцию, что разделение каналов сохраняется, насколько возможно, до впуска к рабочему колесу турбины. Поперечное сечение канала равно поперечному сечению выпуска. Импульсы давления отработавших газов переда­ются на турбину в форме волны давления таким образом, что энергия подводится к турбине в форме значительных пульсаций. Этот эффект может быть особенно эффективно использован при низких частотах вращения коленчатого вала, когда импульсы давления разделены вследствие больших интервалов времени между импуль­сами выпуска отработавших газов из цилиндров.

В случае турбонаддува при постоянном давлении отработавшие газы направляются к корпусу турбины из общего коллектора срав­нительно большого объема. Этот процесс в значительной степени сглаживает отдельные импульсы давления отработавших газов.

Турбонаддув при постоянном давлении по­зволяет более эффективно использовать энер­гию системы выпуска во времени. Импульсный турбонаддув дает преимущества при частичной нагрузке двигателя и в отношении ускорения.

Конструкции корпуса турбины значи­тельно различаются в зависимости от того, используется импульсный турбонаддув или турбонаддув при постоянном давлении. Им­пульсный турбонаддув в основном применя­ется на коммерческих автомобилях. Корпус турбины имеет двухпоточную конструкцию, в которой два потока соединяются только непосредственно перед впуском к рабочему колесу.

Турбонаддув при постоянном давлении применяется на высокооборотных двигателях, таких как дизельные двигатели для легковых автомобилей. Корпус турбины имеет однопо­точную конструкцию («одинарная улитка») и частично объединен с выпускным коллекто­ром. Это позволяет получить компактную и обтекаемую геометрию.

Для бензиновых двигателей применяется турбонаддув обоих типов. Системы выпуска отработавших газов конфигурируются соот­ветствующим образом, а корпуса турбин имеют однопоточную или двухпоточную конструкцию. В турбокомпрессорах для бензиновых двигате­лей, приводимых в действие отработавшими газами, также применяются корпуса турбины, частично объединенные с выпускным коллекто­ром. В серийное производство были запущены даже сварные конструкции (одностенные или двухстенные с изолирующим воздушным за­зором, т.е. с двухстенными коллекторами из листового металла с привариваемыми к ним литыми корпусами турбины).

Чтобы они могли выдерживать высокие тем­пературы и нагрузки, рабочие колеса турбин изготавливаются из материалов с высоким со­держанием никеля путем литья в выплавляемые формы и соединяются со стальными валами ротора при помощи фрикционной или электрон­нолучевой сварки. В качестве потенциального материала для изготовления рабочих колес тур­бин рассматривается алюминид титана (интер­металлическая фаза), отличающийся непревзой­денными высокотемпературными свойствами. Благодаря своей низкой плотности он позволяет значительно уменьшить момент инерции колеса и изготовить колесо с поднятой задней частью без негативного влияния на характеристики тур­бокомпрессора в переходных режимах. Однако вследствие его хрупкости при комнатной тем­пературе и проблематичных литейных качеств еще предстоит решить ряд проблем.

Корпуса турбин, в зависимости от рабочей температуры, изготавливаются из высоколе­гированного чугуна с шаровидным графитом методом литья в открытую песчаную форму. Рабочие колеса, предназначенные для работы в условиях высоких температур (до 1050°С), изготавливаются из легированных сталей ме­тодом литья в выплавляемые формы. Для из­готовления тонкостенных компонентов (в целях снижения веса, затрат и тепловой инерции) ис­пользуются современные процессы литья под низким давлением. Для изготовления корпусов с двойными улитками, вследствие их сложной геометрии и высоких требований к точности, требуется применение стального литья. Также были представлены корпуса турбин, изготовлен­ные из штампованных или изготовленных мето­дом внутренней формовки высоким давлением стальных частей, сваренных друг с другом в тонкостенную форму, или как компоненты с изо­лирующим воздушным зазором (AGI). Варианты AGI позволяют снизить тепловые потери через стенки и отличаются низкой тепловой инерцией.

Составные корпуса турбин пока что в серий­ное производство запущены не были, однако они могли бы помочь решить задачи, связанные с будущими, все более строгими требованиями к ограничению токсичности отработавших га­зов. Для их внедрения кроме вопросов, связан­ных с массовым производством, необходимо решить проблемы гарантирования достаточно длительного срока службы и обеспечения ми­нимального зазора между рабочим колесом и корпусом при любых рабочих условиях.

 

 

Управление процессом наддува в двигателе

 

Ввиду широких диапазонов частоты вращения коленчатого вала двигателей легковых авто­мобилей, регулирование давления наддува становится необходимым для обеспечения расчетного крутящего момента. В настоящее время стандартным методом стало регулиро­вание производительности турбины на стороне отработавших газов.

Байпасное регулирование наддувом

 

Простым и широко используемым методом яв­ляется байпасное регулирование, принцип ко­торого заключается в том, что часть потока от­работавших газов, через перепускную заслонку («регулятор давления наддува») направляется в обход турбины (см. рис. «Регулирование  давления наддува при помощи перепускной заслонки» и «Схема турбины с изменяемой геометрией» ). Перепуск­ная заслонка приводится в действие пневма­тическим или электрическим исполнительным механизмом. Пневматический исполнительный механизм может срабатывать от превышения давления (т.е. на него подается собственно дав­ление наддува) или быть выполненным в виде вакуумного устройства (разрежение подается из системы автомобиля). Однако, если для управления заслонкой используется собственно давление наддува, перепускную заслонку не­возможно приводить в действие независимо от рабочего состояния двигателя. В большинстве случаев регулирование осуществляется при помощи клапанов, работающих в импульсном режиме. Из-за высокой температурной нагрузки исполнительные устройства обычно устанавли­ваются на стороне компрессора и соединяются с рычагом заслонки управляющей тягой.

 

Схема турбины с изменяемой геометрией

 

В последних разработках прослеживается четкая тенденция к применению электриче­ских регуляторов давления наддува, которые отличаются более высоким быстродействием и точностью, а также к управлению перепускной заслонкой независимо от рабочего состояния двигателя. Это облегчает соблюдение все более строгих требований к ограничению токсичности отработавших газов и расходу топлива. Кроме того, электрические исполнительные устройства позволяют создавать прижимающие усилия, тем самым, обеспечивая герметичность перепуск­ной заслонки при любых рабочих состояниях двигателя, что в свою очередь способствует быстрому повышению давления наддува.

Изменяемая геометрия турбины

 

По сравнению с байпасным регулированием изменяемая геометрия турбины (VTG, рис. «Схема турбины с изменяемой геометрией» ) предлагает значительно более эффективные возможности адаптации турбокомпрессора в пределах всей рабочей характеристики. Здесь через турбину проходит весь поток отработав­ших газов, что дает преимущества в отношении использования имеющейся в наличии энергии. Посредством изменения поперечного сечения потока (сечений турбины) осуществляется ре­гулирование сопротивления турбины потоку и, соответственно, давления наддува.

Наибольшее признание получили конструкции с регулируемыми лопатками, так как они соче­тают в себе широкий диапазон регулирования и высокий к.п.д. Угол наклона лопаток может легко регулироваться посредством их поворота. Лопатки могут поворачиваться на требуемый угол специальными кулачками или рычагами. Все ло­патки вставлены в регулировочное кольцо, кото­рое может поворачиваться при помощи рычага. В свою очередь рычаг приводится в действие пневматическим или электрическим исполни­тельным устройством. В случае использования пневматического исполнительного устройства, в настоящее время в состав системы обычно включается датчик положения, сигнал которого подается в систему управления двигателем.

В настоящее время применявшиеся ранее симметричные лопатки с прямой медианной линией заменили профилированные лопатки с криволинейной медианной линией и выра­женными сторонами нагнетания и всасывания. Это помогает повысить эффективность, прежде всего в закрытом положении, т.е. при разгоне и в диапазоне частичных нагрузок. Для обеспечения требуемых рабочих характеристик двигателя крайне важным фактором являются минималь­ные зазоры в области направляющих лопаток.

Турбокомпрессоры с изменяемой геометрией турбины являются в настоящее время стан­дартным решением для дизельных двигателей. Применение турбокомпрессоров с изменяемой геометрией турбины на бензиновых двигате­лях также представляет интерес. Вследствие высокой температуры отработавших газов бензинового двигателя создание надежного и долговечного турбокомпрессора с регулируе­мыми лопатками связано с выполнением точ­ного термомеханического согласования всех компонентов и применением материалов с очень высокими механическими и температурными свойствами. На 2010 год такие конструкции нашли применение пока только у одного производи­теля спортивных автомобилей.

Кроме изменяемой геометрии турбины один японский производитель использует сравни­тельно простое техническое решение, связанное с модификацией спирального корпуса турбины, которое, однако, не позволяет достичь уровня устройств с регулированием положения лопаток.

В дополнение к конструкциям, уже исполь­зуемым в серийном производстве серийных двигателей, существует еще одна многообе­щающая концепция турбокомпрессора со скользящей гильзой. Эта конструкция по­зволяет уменьшить количество движущихся в потоке горячих газов частей по сравнению с турбокомпрессором с регулируемыми лопат­ками. При этом внутренний перепускной канал может быть легко открыт при помощи всего лишь одного исполнительного устройства.

 

Турбокомпрессор, приводимый в действие отработавшими газами, с подводом дополнительной энергии

 

Современные турбокомпрессоры, приводимые в действие отработавшими газами, характери­зуются высокими уровнями к.п.д. и малым мо­ментом инерции ротора, что позволяет получить очень хорошие скорости повышения давления наддува в переходных режимах, в особенно­сти в сочетании с дополнительными мерами на двигателе, такими как, например, «продувка». Был предложен ряд технических решений, позволяющих в случае недостаточной энергии отработавших газов быстрее разогнать ротор компрессора, используя дополнительный ме­ханический или электрический привод.

Например, установка на вале турбокомпрес­сора зубчатого колеса позволяет передавать на вал дополнительную энергию от коленчатого вала через редуктор и отключаемую соеди­нительную муфту. Что касается большой раз­ницы скоростей вращения коленчатого вала и ротора, это представляет собой проблему для конструкторов в отношении обеспечения требуемой эффективности и долговечности

Еще один подход предусматривает установку на роторе между подшипниками рабочего ко­леса турбины Пельтона, которое герметизи­руется подаваемым под высоким давлением (приблизительно 100 бар) моторным маслом из системы смазки двигателя или гидравлической жидкостью, подаваемой по отдельному кон­туру. При этом необходимо решить проблемы, связанные с присутствием в моторном масле частиц сажи, соударяющихся с высокой ско­ростью со стенками корпуса и лопатками, что может вызывать нарушение их прецизионной геометрии. Применение отдельного гидравли­ческого контура связано с необходимостью в увеличении размеров корпусов подшипников, которые должны быть эффективно отделены от других сред.

Еще одно предложение заключается в уста­новке на валу турбокомпрессора, например, между подшипниками, электродвигателя с регулируемым приводом («турбокомпрессор, приводимый в действие отработавшими га­зами с вспомогательным электроприводом»). Здесь имеют место ограничения, налагаемые 12-вольтовой электрической системой ав­томобиля в отношении требуемого для ра­боты привода мощности. Турбокомпрессор с вспомогательным электроприводом при некоторых условиях может работать в каче­стве генератора, возвращая электроэнергию в электрическую систему двигателя, однако, отказаться при этом от перепускной заслонки не представляется возможным.

Общим для всех этих подходов является то, что, когда подвод дополнительной энергии не требуется, все дополнительные компоненты, установленные на вале турбокомпрессора, все равно приводятся во вращение, подвергаясь значительным тепловым нагрузкам и вызывая потери мощности. Следует продолжить рас­смотрение возможности практической реа­лизации этих подходов, а также возможности подвода дополнительной энергии независимо от рабочего состояния двигателя, но таким образом, чтобы это не вызвало изменения или сдвига рабочей характеристики применяемого компрессора. Следует также отметить, что реа­лизация вышеописанных решений связана со значительными затратами и, следовательно, увеличением цены автомобиля. Ни один из вышеуказанных подходов не был реализован в серийном производстве.

В следующей статье я расскажу о комплексных системах турбонаддува.

 

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *