Управління відпрацьованим газом в турбокомпресорі

[ виправити ] текст може містити помилки, будь ласка перевіряйте перш ніж використовувати.

скачати

Зміст
1) Види енергії, що містяться у відпрацьованому газі, і їх перетворення в турбіні.
а) Імпульсний газотурбінний наддування.
б) Газотурбонаддув з підведенням до турбонагнітач відпрацьованого газу з постійним тиском.
2) Випускний колектор
3) Імпульсний перетворювач
4) Система випуску відпрацьованих газів
5) Турбонагнітач в подробицях.
6) Наддування на замовлення
7) Вимоги до сучасного нагнітачу.
8) Зшитий на замовлення турбонагнітач.
9) Різні типи турбонагнітачів.
а) Осьова турбіна.
б) Радіальна турбіна.
в) Турбіна змішаного типу.

Управління відпрацьованим газом.
Види енергії, що містяться у відпрацьованому газі, і їх перетворення в турбіні.
При газотурбонаддуве розрізняють два протилежні варіанти використання міститься у відпрацьованому газі енергії для приводу турбіни: імпульсний газотурбінний наддування або газотурбінний наддування з підведенням відпрацьованого газу з постійним тиском. Обидва види мають свої характерні ознаки.
При газотурбонаддуве з підведенням до турбонагнітач відпрацьованого газу з постійним тиском використовується термічна енергія, яка звільняється в результаті спаду тиску і температури до і після впуску в турбіну. Імпульсний наддування, навпаки, використовує кінетичну енергію відпрацьованих газів, яка визначається швидкістю виходить з циліндрів двигуна відпрацьованого газу. Залежно від типу наддуву формується і колектор відпрацьованих газів. Відповідно і корпус турбіни також повинен бути сконструйований по-іншому.
У той час як у секторі вантажних автомобілів мають справу виключно з імпульсним наддувом, для сектора легкових автомобілів використовується змішана форма із зазначених вище типів наддуву. Тому не слід вводити будь-кого в оману, коли часто говорять про те, що «відпрацьований газ накопичується перед турбіною». Пайовий ефект від імпульсного наддуву при використанні його в секторі легкових автомобілів щонайменше точно так само високий, але спочатку він був грунтовно перетворений з допомогою прогресивних розробок і з урахуванням одержаних від цього результатів.

Імпульсний газотурбінний наддування.
Чистокровний імпульсний наддування, який використовується в секторі вантажних автомобілів, реалізований з двострунний корпусами турбіни. На малюнку нагнітач Garrett типу Т 250.
Підпис: Чистокровний імпульсний наддування, який використовується в секторі вантажних автомобілів, реалізований з двострунний корпусами турбіни. На малюнку нагнітач Garrett типу Т 250. При імпульсному газотурбінному наддуванні, як вже було сказано вище, використовується кінетична енергія виходять з циліндрів газів. Для цього необхідні окремі випускні трубопроводи та рекомендовані багатоструменеві впускні корпусу турбін. Для підведення випускних трубопроводів при цьому відповідно об'єднуються розташовані в порядку запалювання далеко один від одного циліндри. Таким чином, чотирициліндровому двигуну необхідно мати два випускних трубопроводу, п'ятициліндровим - три і шестициліндровими відповідно два окремо підведених трубопроводу. Довжини і поперечні перерізи цих трубопроводів, як і у оптимального двигуна без наддування, повинні бути узгоджені. Однак на підставі специфічних умов або конструктивних даних часто неможливо отримати оптимальне виконання імпульсного газотурбонаддува. У результаті цього при імпульсному наддуванні перед турбіною нагнітача створюються змінні ступеня стиснення; за рахунок цього імпульсний наддування покращує коефіцієнт корисної дії турбіни і характер спрацьовування турбонагнітача. Крім цього тиск наддуву спадає не так вже сильно відповідно до частоти обертання, як це відбувається при чистому наддуванні з підведенням відпрацьованого газу постійного тиску.
Імпульсний газотурбонаддув є стандартом для вантажних автомобілів, в яких спеціально для цього застосовується двухструйний впускний корпус турбіни (так звана подвійна лопаткова турбіна). Тут потоки відпрацьованих газів від випуску двигуна до впуску в турбіну ведуться окремо, при цьому завжди в один потік вкидають відпрацьований газ ті циліндри, які по інтервалу між спалахами і впуском узгоджені один з одним, так що при зміні заряду ніяких взаємних перешкод не відбувається. Таким чином, імпульси газу безперешкодно досягають колеса
Схема імпульсного газотурбонаддува. Окремо підводиться випускні трубопроводи від відповідно відповідних циліндрів ведуть до одного турбінного впуску.
Підпис: Схема імпульсного газотурбонаддува. Окремо підводиться випускні трубопроводи від відповідно відповідних циліндрів ведуть до одного турбінного впуску. турбіни, без того, щоб один циліндр стовп газу випускає сусіднього циліндра в свою чергу впускав у камеру згоряння.
Однак практикується в такому вигляді «класичний» імпульсний газотурбонаддув важко реалізувати в двигунах легкових автомобілів. Ну, а в дизельних двигунах це важко суто через розмірів корпусу турбіни: середній язичок, який біля двухструйних корпусів турбіни відокремлює впускні канали один від одного, виходить тут дуже тонким, щоб протистояти навантаженням імпульсних хвиль. У бензинових двигунів до того ж ще додається аспект допустимих термічних навантажень корпусу турбіни та середнього язичка. Як наочний приклад з історії газотурбонаддува рекомендується в зв'язку з цим поглянути на перший дорожній турбоавтомобіль Німеччини, BMW 2002. Цей двигун використовує імпульсний наддування з двухструйним корпусом турбіни. Але нагнітач тут виявився не дуже надійним, і це стало причиною того, що цей BMW через рік тихо забрався з авторинку. Однак чистокровний імпульсний турбонаддув з двухструйним корпусом турбіни для сектора легкових автомобілів остаточно не помер: в кінці минулого століття Volvo знову кинув виклик і використовував його на своєму S / V 40.
Але, незважаючи на все це, імпульсний газотурбонаддув, хоча не в своєму класичному виконанні, практикується на бензинових двигунах. Те, що при цьому можуть бути використані і одноструминних корпусу турбін, довів піонер турбо Porsche. Biturbo 911 цілком підходить для імпульсного газотурбонаддува: як багаторядний двигун він мав циліндри з поєднуються інтервалами між спалахами в окремому блоці; по три циліндра з кутом повороту колінчастого валу в 240 ° навантажували турбіну майже один за одним; при цьому мінімальне накладення з'являлося тут за рахунок невеликого відмінності в довжинах окремих відвідних трубопроводів. Але вони були короткочасними, що допускало використання імпульсної енергії. Ці трубопроводи повинні якомога пізніше бути зведені перед турбіною, для чого передбачався магістральний трубопровід, що поєднує всі три випускні трубопроводу; завдяки чому саме цей тип імпульсного газотурбонаддува вже не був «класичним». Подібним чином вчинив і Audi зі своїм 2,7-літровим Biturbo. Така конструкція зберігає як теплову, так і кінетичну енергію відпрацьованих газів. А звідси відповідно зростає і коефіцієнт корисної дії турбіни.
Ефект імпульсного газотурбо - наддуву створювався на двигуні Ванкеля Mazda RX -7 за рахунок ре - вання щілинного випуску
Підпис: Ефект імпульсного газотурбо - наддуву створювався на двигуні Ванкеля Mazda RX-7 за рахунок ре - вання щілинного випуску Власне, і виробники рядних чотирициліндрових двигунів цікавилися тим, як і використовувати переваги імпульсного газотурбонаддува. Але умови тут для цього були вже не такими, як у багаторядного шестициліндрового двигуна або у трициліндрового (600 см 3. Smart-двигун), оскільки у чотирициліндрового мотора відповідно одночасно відкриті випускні клапани двох «не узгоджених» циліндрів. Це провокує взаємний вплив циліндрів один на одного. Але як буде докладно описано нижче, розумне конструювання випускного колектора дозволило все-таки реалізувати гідності імпульсного газотурбонаддува і в чотирициліндрових двигунах.

Схема використовується в двигунах легкових автомобілів наддуву. На практиці прагнуть до того, щоб окремі випускні трубопроводи як можна пізніше об'єдналися перед впуском в турбіну, щоб більшою мірою сприяти ефекту імпульсного наддуву.
Підпис: Схема використовується в двигунах легкових автомобілів наддуву. На практиці прагнуть до того, щоб окремі випускні трубопроводи як можна пізніше об'єдналися перед впуском в турбіну, щоб більшою мірою сприяти ефекту імпульсного наддуву.
Імпульсний газотурбонаддув можна знайти і в іншому місці, а саме, в двигуні Ванкеля. Випускається відпрацьований газ в непарних фазах подається на турбіну. Перша фаза - це навантаження турбіни за рахунок імпульсу газу, друга фаза впливає на колесо турбіни шляхом розширення і викликає тим самим додаткове прискорення. Імпульсний ефект виходить газу пояснюється раптовим відкриттям випускного тракту. На противагу роторно-поршневого двигуна тут газ виходить не через клапани, а через щілини. Тому приклад з двигуном Ванкеля дуже примітний, так як спортивні автомобілі RX-7 від Mazda з двигуном Ванкеля, що мають даний варіант наддуву, пропонувалися на авторинку.
Газотурбонаддув з підведенням до турбонагнітач відпрацьованого газу з постійним тиском.
Якщо виходити з того факту, що в двигунах легкових автомобілів однострйний впускний корпус турбіни і одноелементні магістральний трубопровід стали вже стандартом, то вже, тому для легкових автомобілів слід було б зупинитися на іншій формі використання потоку відпрацьованих газів: на турбонаддув з підведенням до турбонагнітач відпрацьованого газу з постійним тиском. Але це вірно лише частково. При подібного роду турбонаддува кінетична енергія потоку відпрацьованих газів теоретично не враховується. Відпрацьований газ від усіх циліндрів зводиться в один великогабаритний колектор і потім підводиться до турбіни. Тиск газу при цьому перед турбіною - відповідно, що відноситься до певної точки навантаження-постійно. З таким наддувом експлуатуються стаціонарні двигуни, у яких немає залежності прискорення від резервів крутного моменту. Його можна зустріти в багатьох виробників суднових двигунів (наприклад, MAN B & W); щоб поліпшити характер нестаціонарності (вхід в порт, маневрування), при зміні навантаження частина стисненого повітря використовується для продувки. Газотурбонаддув з підведенням до турбонагнітач відпрацьованого газу з постійним тиском можна реалізувати з меншими витратами (менше дорогих випускних трубопроводів). Щоб гарантувати на високих частотах обертання необхідну високу продуктивність турбіни, потрібно втихомирювати в моторах з таким наддувом пульсації відпрацьованих газів у зазначених вище магістральних колекторах. Їх щедрий на розміри обсяг викликає невелике протитиск відпрацьованих газів, що не використовується для раннього формування тиску наддуву на низьких обертах.
І все-таки потрібно прямо запитати з автомобільного мотора: хто може надати багато крутного моменту при низьких обертах. Природно, тільки той, хто використовує потенціал міститься у відпрацьованому газі кінетичної енергії. Тому й використовуються трубопроводи з вузьким поперечним перерізом, завдяки яким підвищується швидкість виходить відпрацьованого газу. При цьому справедливо: окремі випускні трубопроводи повинні по можливості підбиватимуться окремо (для зменшення взаємного впливу при «несприятливих» інтервалах між спалахами), щоб потім злитися безпосередньо перед впуском в турбіну в один магістральний колектор. Це, природно, пов'язано з дуже великими потребами місця в моторному просторі і тому для серійних автомобілів слід піти на компроміс, щоб у процесі виготовлення встановити в кузові повністю змонтований турбоагрегат. І тут, природно, всі переваги за тюнінгом, коли всі зміни існуючого двигуна можна проводити безпосередньо в змонтованому стані (дивіться також розділ, присвячений тюнингу). Практикують у двигунах легкових автомобілів перетворення енергії відпрацьованого газу складається, таким чином, з однієї половини у вигляді імпульсного наддуву і другої половини - газотурбонаддува з підведенням відпрацьованого газу з постійним тиском.
Випускний колектор
S 1-колектор, який мав Audi Sport - Quartto, був застосований у схожій формі і в п'ятициліндровим турбодвигуном в Audi 200 Turbo, a пізніше в S 2 - Coupe. Потоки відпрацьованих газів спочатку окремо, а потім «системою» підводилися до турбіни.
Підпис: S1-колектор, який мав Audi Sport-Quartto, був застосований у схожій формі і в п'ятициліндровим турбодвигуном в Audi 200 Turbo, a пізніше в S2-Coupe. Потоки відпрацьованих газів спочатку окремо, а потім «системою» підводилися до турбіни. Як видно на прикладах використання цих двох варіантів газотурбонаддува, робота турбіни, перш за все, залежить від геометрії та конструкції випускного колектора. Якщо необхідно отримати гарний коефіцієнт корисної дії турбіни, то треба по-справжньому відрегулювати окремі випускні потоки циліндрів. І це необхідно ще й тому, що у двигунів легкових автомобілів порівну практикується як імпульсний наддування, так і газотурбонаддув з підведенням відпрацьованого газу з постійним тиском.
Імпульсний перетворювач
Особливою формою випускного колектора є «імпульсний перетворювач». Англійське вираз досить точно відображає зміст цього компонента, мова йде тут про регулювання або конвертації потоку відпрацьованих газів. Імпульсний перетворювач допомагає там, де з-за несприятливих інтервалів між спалахами не можна більше використовувати імпульсний наддування з двострунний впускними корпусами турбін. Але щоб і за таких умов можна було використовувати кінетичну енергію відпрацьованих газів для приводу турбіни, що об'єднуються окремі потоки відпрацьованого газу так підводяться до імпульсного перетворювача, щоб не створювалося ні замикаючих, ні зворотних потоків. Відбувається, навпаки, тип динамічного обміну між окремими потоками, які відповідно отримують прискорення в напрямку впуску в турбіну. При конструюванні такого перетворювача крім необхідного поперечного перерізу трубопроводів враховують також і геометрію розділового елемента в розгалуженні окремих потоків. Цей розділовий елемент робить істотний вплив на швидкість та напрямок потоку відпрацьованих газів. Імпульсний конвертер придатний для всіх поширених типів двигунів легкових автомобілів: чотири-, п'яти-, і восьмициліндрових агрегатів.
Навіть коли в сфері легкових автомобілів, за винятком Volvo, не використовують подвійних лопаткових турбін і не застосовують чисту форму імпульсного наддуву, то все одно сучасні випускні колектори все більше і більше схожі на імпульсні перетворювачі. Форма і виконання колектора не кидає напризволяще і випадку потоки відпрацьованих газів, а керує окремими потоками в системі. Типовим прикладом імпульсного перетворювача на основі колектора є 2,2-літровий п'ятициліндровий бензиновий турбодвигун Audi, який у своєму останньому виконанні в 1991 році мав потужність 169 кВт/230 к.с. Тут були реалізовані три підвідних каналу до одноструминних турбіні, у якої потоки відпрацьованого газу, один з одного циліндра і другий з двох циліндрів, зводилися тільки перед впуском в турбіну. Незважаючи на несприятливі інтервали між спалахами з кутом повороту колінчастого валу 144 ° в кінцевому підсумку створювався імпульсний наддування, так як завдяки пізньому відома потоків відпрацьованих газів зберігалася кінетична енергія окремих потоків і зменшувалися зворотні потоки в сусідні циліндри.
Система випуску відпрацьованих газів
Що в народі часто розуміють під «вихлопною трубою», то в турбодвигуном вдає із себе зовні дорогу і досить складну картину, що складається з чавунного колектора, клапанів, газопроводів та глушників, причому останній безпосередньо у турбодвигуна може й не бути, оскільки сама турбіна вже функціонує як первинний глушник. У системах випуску відпрацьованих газів проявляється одна з серйозних відмінностей в концепції двигунів з механічним наддувом, так як їх системи випуску в принципі зможуть відштовхуватися від базового мотора.
Оскільки у турбодвигуна весь відпрацьований газ частково проходить через турбонагнітач, а частково через байпасний клапан, то ці два компоненти є інтегрованою складовою частиною системи відводу відпрацьованих газів. При конструюванні комплексної системи випуску відпрацьованих газів турбодвигуна слід тому перш за все брати до уваги наступні два фактори:
· Міцність і стійкість системи і з'єднань
· Термодинамічне узгодження з турбонагнітачем.

З окремого лиття представлений тут в інтегральній системі союз колектора і корпусу турбіни. На малюнку - ансамбль 0,6-літрового Smatr - Sudivx - Turbo
Підпис: З окремого лиття представлений тут в інтегральній системі союз колектора і корпусу турбіни. На малюнку - ансамбль 0,6-літрового Smatr-Sudivx-Turbo
Те, що колектор разом з турбіною схильний високим термічним навантаженням, тут на випробувальному стенді особливо добре помітно по розпеченій стороні Opel Calibra Turbo.
Підпис: Те, що колектор разом з турбіною схильний високим термічним навантаженням, тут на випробувальному стенді особливо добре помітно по розпеченій стороні Opel Calibra Turbo.
Що стосується міцності та стійкості системи випуску відпрацьованих газів, то тут виникають великі проблеми, які в більшій частині виявляються в зоні колектора перед газотурбонагнетателем. Теплове навантаження тут внаслідок протитиску в турбіні істотно вище в порівнянні з вільно протікає потоком відпрацьованого газу в двигуні без наддуву. Це призводить - перш за все у бензинових двигунів з-за високих температур відпрацьованих газів - не лише до необхідності використання жароміцних і відповідно дорогих матеріалів для колектора; раніше це були переважно високолегованої хромонікеліевое сталеве лиття або спеціальні, зареєстровані марки лиття. Сьогодні зустрічаються вже у турбобензінових двигунів (наприклад, Audi 2,7-літровий Biturbo) «колектори з листової сталі» у формі систем трубопроводів з ізольованими повітряними зазорами, які вимагають нітрохи не менше витрат у порівнянні з литими колекторами, а навпаки, обходяться ще дорожче . Про такий вид високотехнологічних системи ще детальніше поговоримо.
Дуже сильно навантажена: частина колектора, до якої за допомогою фланців приєднаний окремий байпасний клапан (Audi 2,2-літровий п'ятициліндровий чотирьохклапанний турбодвигун).
Підпис: Дуже сильно навантажена: частина колектора, до якої за допомогою фланців приєднаний окремий байпасний клапан (Audi 2,2-літровий п'ятициліндровий чотирьохклапанний турбодвигун). До сьогоднішнього дня залишається ще, зрозуміло, дорогим закріплення нагнітача на колекторі, оскільки поки що не йде мова про «інтегральної нагнітальної системі», як ми побачимо в наступних розділах. Так як колектор в результаті нагрівання (у бензинових двигунів температура може доходити до 1500 ° С) досить активно працює, то введення ущільнень і болтових з'єднань в головки циліндрів важко. Високожаропрочние гвинти, спеціальні муфти, залежно від обставин, окремий колектор і компенсатори з високоякісної сталі обумовлюють відповідно конструкторські та експериментальні витрати, які навряд чи будуть порівнянні з витратами подібних робіт у двигунів без наддуву.
Не настільки складна ця проблема у дизельних двигунів, які мають більш низькі теплові навантаження, бо значення температур відпрацьованих газів, які досягаються в турбодизелем з системою безпосереднього вприскування, частіше за все знаходяться нижче 700 ° С.
Тим не менш, випускний колектор повинен витримувати не тільки високі температури і пов'язані з ними навантаження, але і нести на собі всю тяжкість нагнітача, який, як правило, за допомогою фланцевого з'єднання закріплюється безпосередньо на колекторі. Це може, зокрема, в погано відрегульованих двигунах з довільною інерцією мас (наприклад, рядний чотирициліндровий двигун і тим більше майбутні трициліндрові двигуни) привести до появи проблем з терміном експлуатації, на яких ми ще зупинимось у відповідній главі при розгляді навантажень турбодвигунів. При використанні загальноприйнятих ще кілька років тому окремих клапанів регулювання тиску наддуву, при наявності яких колектор мав розгалуження перед турбіною, раніше також повинні були при конструюванні і призначення параметрів колекторів враховуватися їхні слабкі місця. На сьогодні ці окремі «перепускні» клапани і трубопроводи скоріше є винятком; а поширені зараз і вбудовані в корпус турбіни байпасні канали, природно, вже не створюють колектору ніяких проблем.
По меншій мірі, також важливі, поряд з міцністю і закріпленням, і термодинамічні параметри системи випуску відпрацьованих газів турбодвигунів. Тут потрібно рахуватися з типом завантаження турбіни, чи чиниться вона імпульсним наддувом або наддувом з підведенням відпрацьованих газів з постійним тиском. З чого у відповідних випадках складаються системи випуску, вже йшла мова в розділі, присвяченому цим видам газотурбонаддува.
Коли окремо вбудовані байпасні клапани ще вважалися стандартом, то головний біль і створював інший чинник: мова йде про перепускному каналі, такому відвід від колектора перед турбіною, який дбав про постачання клапана регулювання тиску наддуву відпрацьованим газом. Як ми ще далі побачимо, цей канал теж сьогодні інтегрований в корпус турбіни. Але для обох альтернатив справедливо: необхідні спеціальні прийоми, щоб не надати негативного впливу на коефіцієнт корисної дії турбіни. У деяких, але рідко використовуються, окремих перепускних клапанів є додатковий обсяг, який ускладнює використання міститься у відпрацьованому газі кінетичної енергії, у вбудованих каналів є ризик неоптимального обтікання турбіни основним потоком мас відпрацьованого газу. Порушення такого обтікання - і це відноситься, природно, і до не оптимально покладеним перепускним каналах при наявності окремих байпасні клапанів - може виникати в тому випадку, коли відгалуження перепускного каналу несприятливо виконано і при відкритті клапана регулювання тиску наддуву через розгалуження потоку утворюються завихрення, які перешкоджають надходженню відпрацьованих газів у корпус турбіни і тим самим призводять до появи високого швидкісного напору, що, природно, не сприяє гарному коефіцієнту корисної дії нагнітача.
Також і інший напрям в системах випуску обумовлює сьогодні наявність майстерності у конструкторів: воно належить до розміщення каталітичних нейтралізаторів і обліку пов'язаних з ними термічних параметрів, щоб нейтралізатори при холодному запуску по можливості раніше змогли розпочати свою роботу. Спочатку про сам нейтралізаторі: оскільки він як деталь є фактором, що заважає (внаслідок протитиску) у системі випуску відпрацьованих газів, то конструктивно повинен в цьому відношенні як можна менше кидатися в очі. Перевагами мають металеві каталітичні нейтралізатори, які за своїм матеріалу, в порівнянні з керамічними нейтралізаторами, допускають більш тонкі стінки і великі поперечні перерізи у стільниковій структурі. Це знижує, в кінцевому рахунку, і протитиск, але є дуже дорогим задоволенням. Металевими каталітичними нейтралізаторами озброїв Porsche свій 911 Turbo (Biturbo, модельний рік 1994). Porsche вже давно здогадувався про достоїнства металевих каталітичних нейтралізаторів; його двигун без наддуву мав їх уже в 1988 році. На 911 Turbo використовувався носій з так званої «TS»-структурою. Ця структура гарантувала не тільки ефективне проходження відпрацьованого газу і відповідну нейтралізацію, але до того ж мала ще й ту перевагу, що щільність осередків при однаковому об'ємі і однаковою ефективності слабо падає - що до того ж сприяє невеликому протитиску і одночасно ще меншій вазі.
У двигуні 944 Turbo позитивний ефект дало застосування у вихлопній системі кераміки. ККД турбіни досягає високих значень уже при відносно малих температурах відпрацьованих газів
Підпис: У двигуні 944 Turbo позитивний ефект дало застосування у вихлопній системі кераміки. ККД турбіни досягає високих значень уже при відносно малих температурах відпрацьованих газів Металевий нейтралізатор мав свого часу і ефективний турбодвигун Opel Calibra; він навіть передбачався в ті часи для великосерійного виробництва. З металу були також виготовлені попередні нейтралізатори 2,7-літрових Biturbo Audi. Так як і в цій сфері відіграє свою роль вартісної фактор, то сьогодні найчастіше можна зустріти ще й поширені керамічні нейтралізатори.
Інша проблема, пов'язана з нейтралізаторами, порівнянна з квадратурою кола: нейтралізатор повинен бути розташований ближче до голівки циліндра і його пускова температура понад 300 ° С повинна бути досягнута як можна раніше. Природно, що у турбодвигунів це можливо не без особливих труднощів, оскільки турбіна знаходиться спереду (і тут має місце істотна перевага механічного наддуву). І ще в нейтралізатора з'явилася одна проблема: турбонагнітач, який живе за рахунок спаду температури, з'їдає значну частину тепла відпрацьованих газів для роботи турбіни, і для нейтралізатора по суті нічого не залишається.
Щоб вирішити цю проблему, виробники турбодвигунів можуть використовувати кілька можливостей. Одна з них: нейтралізатори розміщуються якомога ближче до турбіни; Porsche навіть вмонтував у своїх 968 «S» і «RS» турбодвигуна в 1993 році власні нейтралізатори після перепускного каналу. Зазвичай перепускний потік «без обробки» підводиться до основного нейтралізатору. І все-таки такий окремий нейтралізатор для перепускного каналу до цих пір залишається єдиним у своєму роді.
У 944 Turbo в 1985 році було реалізовано ще одна властивість, яке сьогодні можна дуже добре використовувати так само і для раннього запуску процесу нейтралізації каталізаторів: у випускних каналах двигуна були розміщені так звані керамічні Portliner (де вони, однак, були призначені не для обслуговування нейтралізатора , оскільки в 1985 році вони ще не стали необхідністю. Portliner були призначені скоріше для запобігання виходу знаходиться в каналі тепла назовні до голівки циліндра, щоб не навантажувати систему охолодження двигуна). Зумовлена ​​цим висока температура відпрацьованих газів приводила на краще характером спрацьовування турбіни. Porsche перейняв цю ідею і реалізував у своєму Biturbo, причому крім переваги кращого характеру спрацьовування турбіни і нейтралізатори вже дуже рано відчули для себе дорогоцінне тепло. Audi зупинився для свого Biturbo на більш дорогої альтернативі випускного колектора з ізольованими повітряними зазорами, який робив подвійні видихи. При цьому замість звичайного раніше поширеного важкого чавунного литого колектора з'явилася сталева конструкція (що, крім того, привело з собою і переваги у вазі), яка функціонувала за принципом «Thermoskannen». Метод, який використовує повітря як ізолятор, частіше можна було зустріти у двигунів без наддуву у формі колекторів з ізольованими повітряними зазорами. Аналогічний колектор також з'явився і у дизельних двигунів: Audi вмонтував його до свого V6 TDI, щоб далі оптимізувати характер спрацьовування турбіни. Як дуже розумна, представлялася в цьому відношенні і конструкція «цілісного турбонагнітача», яку вперше реалізував Opel в 2,0-літровому чотирьох-циліндровому двигуні Calibra. У цій концепції і нейтралізатор, природно, просунувся трохи вище, в напрямку головки циліндра.
Рентгенівський знімок Audi V 6 TDI показує тут перетин випускного колектора (видно праворуч), трубопроводи ди якого підводяться знизу до нагну тателями. У цьому двигуні також використана повітряна ізоляція зазорів
Підпис: Рентгенівський знімок Audi V6 TDI показує тут перетин випускного колектора (видно праворуч), трубопроводи ¬ ди якого підводяться знизу до нагнітачу. У цьому двигуні також використана повітряна ізоляція зазорів
Audi 100 двигун без наддуву,
100 кВт / 1 36 л.с.
Діаметр трубопроводу 50 мм Площа поперечного перерізу 1 962 мм 2
Audi січня 2000 Turbo, 1 25 кВт / 1 70 к.с.
Діаметр трубопроводу 60 мм Площа поперечного перерізу 2826 мм 2
Audi 100 Quattro, 147 кВт/200 к.с.
Діаметр трубопроводу 70 мм Площа поперечного перерізу 3846 мм 2

Була затребувана винахідливість при реалізації концепції 944 турбодвигуна Porsche (162 кВт/220 л.с.). За допомогою розгалуженої укладання трубопроводів система випуску відпрацьованих газів була проведена знизу під двигуном, щоб на іншій стороні (тут ліворуч) зустрітися з турбіною.
Підпис: Була затребувана винахідливість при реалізації концепції 944 турбодвигуна Porsche (162 кВт/220 л.с.). За допомогою розгалуженої укладання трубопроводів система випуску відпрацьованих газів була проведена знизу під двигуном, щоб на іншій стороні (тут ліворуч) зустрітися з турбіною. У концепції системи випуску слід по можливості відмовитися від згинання або заплутаною укладання трубопроводів. «Акуратна», прокладання трубопроводів з короткими шляхами має найвище значення, особливо для коефіцієнта корисної дії турбіни.
Вельми страхітливим прикладом цього є Porsche 944 Turbo, що вже було зазначено у розділі, присвяченому оптимальному турбодвигун. Природно, і в системах випуску умови компонування відіграють велику роль. І тут, щоб реалізувати концепцію Biturbo, відбуваються просто дива.
Турбонагнітач в подробицях.
Вимоги до турбонагнітачами протягом минулих років постійно змінювалися. Якщо перше покоління призначалося в основному для вироблення додаткової потужності, то сьогодні турбонагнітач служить в рівній мірі і поліпшення експлуатації двигуна. Вони використовуються також і з екологічних міркувань - наприклад, в дизельних двигунах для зниження викидів частинок. Крім того, дизелі в результаті використання турбонаддува придбали і низька питома витрата палива в порівнянні зі своїми побратимами без наддуву.
Бензинові двигуни також завдяки турбонаддуву домоглися свого найкращого балансу витрати. Так звані двигуни крутного моменту дозволили собі «ледачий» режим управління при високих передачах і обмеженою номінальній частоті обертання, і як наслідок - менше тертя. У принципі підвищується і механічний коефіцієнт корисної дії від використання наддуву в двигунах з малим робочим об'ємом.
Природно, що можна було б і не розглядати окремо турбонагнітач; у вищезазначених концепціях основну роль, зрозуміло, грають оточення двигуна, конструкція двигуна і його технічні параметри, використання сучасних продуктивних електронних систем (наприклад, систем регулювання тиску наддуву, управління детонацією), а також модернізація систем збагачення газової суміші в бензинових і перш за все у дизельних двигунів. Без цього турбонагнітач взагалі не зміг продемонструвати в повній мірі свої можливості.
Але тим не менше все-таки звернемо свій погляд до турбонагнітача. «Голий» нагнітач теж йшов власним довгим шляхом до своїх достоїнств (дивіться таблицю).
Технічні параметри
1 покоління
2 покоління
3 покоління
4 покоління
Діаметр колеса компресора
60,5 мм
50 мм
45 мм
45 мм
ККД компресора
0,72
0,72
0,75
0,74
Корисна ширина карти характеристик
60%
75%
79%
79%
Максимальна витрата
100%
130%
140%
140%
Вага
7,8 кг
4,7 кг
3,5 кг
5 кг (VTG)
Момент інерції ротора
100%
45%
30%
25%
Джерело: ККК
Дослідження, виконане ККК (зокрема, «Turboladerfirma 3K Warner Turbo-System»), проведено на прикладі 1-літрового дизельного двигуна потужністю 51 л.с. кВт/70 Особливо чітко проявляється прогрес в технології турбонаддува, якщо задуматися над тим, що наведений в таблиці 45-міліметровий нагнітач четвертого покоління знайшов застосування і в більш сильному двигуні (81 квт/11 0 л.с).
Але сучасний турбонагнітач повинен бути абсолютно іншою машиною не тільки завдяки своїм характеристикам. Він зобов'язаний також підкорятися все зростаючому аспекту комфорту водія. Те, що призначене для гармонійного розвитку сил і потужності, повинна ставитися також і до параметрів шумів автомобіля з наддувом.
Сьогодні розвиток турбонагнітача йде значно ширше, і не тільки у вигляді якогось додаткового компонента, привнесеного у двигун. Щоб уся концепція вважалася обгрунтованою, слід враховувати і поведінку турбонагнітача точки зору акустики. Відповідні вимоги в цьому відношенні до першого покоління турбонагнітачів не пред'являлися. У другого покоління додалися потім задані параметри робочої балансування. Третє покоління крім балансування виявило ще й проблеми з пульсацією. І, нарешті, четверте покоління включило весь обсяг сервісних послуг виробників турбонагнітачів і додатково дорогі випробування, на основі яких аналізують акустичні властивості турбонагнітача, розраховують їх за заданими параметрами двігателепроізводітелей і при необхідності корегують.
До числа найважливіших аспектів розробки турбонагнітачів відноситься і задача зниження моменту інерції мас. З ним пов'язаний і також знижується параметр спрацьовування при низьких частотах обертання і нестаціонарному режимі експлуатації. Безпосередньо розробки в цьому напрямку були і до цих пір залишаються найбільш важкими, оскільки вони передбачають більш глибоке втручання в термодинаміку і в експлуатаційні властивості нагнітача, ніж це можна було очікувати.
І це не значить зробити так, що просто у існуючого нагнітача зменшити діаметр колеса. Вимога, щоб малий нагнітач сучасного покоління щонайменше задовольняв тими ж параметрами продуктивності, що і великий нагнітач попереднього покоління, і щоб малий нагнітач задовольнив той же мотор і з тією ж пропускною здатністю при щонайменше однаковому, а краще більшому коефіцієнті корисної дії, що і його доходжалий обидва, більшою мірою обумовлюється використанням «ноу-хау» і тривалої дослідно-конструкторською роботою.
Додається і фізична закономірність: зі зменшенням розміру нагнітача знижується і коефіцієнт корисної дії за рахунок втрат у зазорах. Тому вимоги до сучасного турбонагнітач порівнянні з рішенням знаменитої задачі давнини про побудову квадрата, рівновеликого даному колу.
Найважливішим об'єктом подальших розробок має стати завдання установки роторів, яка передбачає інтеграцію упорного підшипника в радіальному положенні. Це скорочує не тільки кількість деталей, але і мінімізує витрати, пов'язані з тертям. Додатково це обіцяє і поліпшений характер балансування, що також впливає на акустичні властивості турбонагнітача.
Наддув на замовлення
Половина турбот оплачується за рахунок наймача турбонагнітача. Якщо двигун повинен сьогодні одночасно виконувати нормативні вимоги щодо температурного режиму, добрій рухливості, комфорту їзди і не в останню чергу економності, то нагнітач повинен бути строго узгоджено з двигуном. Він повинен йому підходити, як зшитий на замовлення костюм, а не повинен бути або занадто малий, або занадто великий. Нагнітач і двигун повинні вступити в гармонійний союз, і при цьому тільки в тому відношенні, що безпосередньо лопаткова машина, а саме нагнітач і «парова машина», а саме, двигун внутрішнього згоряння на основі своїх протилежних робочих характеристик вступають скоріше в «вільний шлюб» , а це, безсумнівно, являє собою одну з найскладніших завдань.
Узгодження нагнітача з двигуном може тривати місяцями. У процесі незліченної кількості тестових годин, проведених на випробувальних стендах і в автомобілях, після тривалого процесу взаємної підгонки і налаштування народжується оптимальний нагнітач.
Вимоги до сучасного нагнітачу.
При розробці коліс турбін та компресорів слід керуватися вимогами з боку покупців і з боку користувачів (легкові і вантажні автомобілі, кораблі, стаціонарні споруди). Для проектно-конструкторських робіт зі створення потрібного кінцевого продукту є набір наступних критеріїв:
1. Ширина карти характеристик, положення насосних і запірних кордонів.
2. Максимальний ступінь стиснення при певній окружної швидкості (важливий для вантажних автомобілів).
3. Максимальний коефіцієнт корисної дії і положення «раковини» ККД.
4. Термін експлуатації (міцність, також з урахуванням вартісних витрат).
5. Діаметр і пов'язаний з ним момент інерції колеса. Увага: момент інерції йде з коефіцієнтом «п'ять» щодо діаметра колеса.
6. Розміри корпусу.
Для додатків в секторі легкових автомобілів особливо важливі такі критерії як характер нестаціонарності і аспект керованості двигуна. Це означає, що нагнітач з низьких частот обертання зобов'язаний надавати високий тиск наддуву і повинен спрацювати, по можливості, без затримок в умовах постійно мінливого діапазону навантаження. Саме ці завдання входять у протиріччя з характером газотурбонагнетателя і довгий час чинили негативний вплив у вигляді багато разів згадується «турбоями».
Але сучасні технології й постійно розвиваються в останні роки «ноу-хау» виробників нагнітачів зменшили ефект «турбоями» до ледь помітного мінімуму. І значною мірою цьому сприяла вірна комбінація апаратного і програмного забезпечення, тобто оптимальний нагнітач і регулювання тиску наддуву.
Зшитий на замовлення турбонагнітач.
Нагнітач на замовлення виникає в результаті тісної співпраці («simultaneous engineering») з користувачами. Деякі виробники мають чітку класифікацію нагнітачів за класами і розмірами для конкретного застосування - для двигунів вантажних, легкових автомобілів, судів або стаціонарних установок.
За винятком корпусу нагнітача, який завжди залишається постійним, є в різних конструктивних рядах для відповідних сфер додатків і всередині одного конструктивного ряду інші можливості варіювання; турбонагнітач для дизельного двигуна легкового автомобіля з потужністю 66 кВт/90 л.с. може у VW виглядати зовсім інакше, ніж у Renault або BMW, і сам нагнітач, наприклад, для одного і того ж VW-двигуна може бути теж різним всередині палітри VW-автомобілів.
Зрозуміло, при масовому виробництві турбонагнітачів грає роль не тільки пара «колесо - корпус», але і вибір відповідних діаметрів коліс компресора і турбіни. Ці діаметри не однакові, як правило, колеса турбін завжди трохи менше по діаметру, ніж колеса
Представлені тут обидва примірники турбонагнітача (ККК - нагнітач конструктивного ряду К 0) в результаті різних адаптації: праве виконання було призначено для 1,8-літрового чотирициліндрового турбодвигуна Audi, з круговою формою фланця на впуску до турбіни. Лівий нагнітач має вже інше фланець.
Підпис: Представлені тут обидва примірники турбонагнітача (ККК - нагнітач конструктивного ряду К 0) в результаті різних адаптації: праве виконання було призначено для 1,8-літрового чотирициліндрового турбодвигуна Audi, з круговою формою фланця на впуску до турбіни. Лівий нагнітач має вже інше фланець. компресорів. Таке положення пов'язане насамперед з експлуатаційними властивостями і коефіцієнтом корисної дії коліс компресора і турбіни. Тут справедливо умова: чим менше турбіна, тим менше інерція мас колеса і тим менше енергії необхідно застосувати для подолання стрибка частоти обертання. Тепер що стосується компресора: чим більше компресор, тим менше зазор між днищем поршня і головкою блоку циліндрів (це стосується, зрозуміло, і до турбіни), тим краще коефіцієнт корисної дії і обсяг потоку. Відхилення в розмірах коліс один від одного складають, правда, лише кілька відсотків.
Конструктивна програма постійно доповнюється знизу (новий КР - конструктивний ряд), щоб у майбутньому можна було оптимально обслугувати і міні-двигуни.

ККК-нагнітачем конструктивного ряду (К 24), який за сучасними мірками надзвичайно великий, був оснащений двигун Audi S2. Аналогічний нагнітач, але з більшою турбіною і більшим компресором для високої витрати застосовувався у Avant RS2, що базується на п'ятициліндровий двигун Audi і використовуваний Porsche. Тут ще раз підтверджується правило, що в принципі один і той же нагнітач може породити абсолютно різний характер потужності.
Філігранну іграшку нагадує Winzling KP 31, який надав ККК трьохциліндровому дизельному двигуну MCC Smart. Як і в його конкурента Garrett, який обслуговував «Біргехм-бензиновий двигун Smart, також і в КР 31 корпус турбіни з колектором представляв собою єдиний литої блок.
Підпис: філігранні іграшку нагадує Winzling KP 31, який надав ККК трьохциліндровому дизельному двигуну MCC Smart. Як і в його конкурента Garrett, який обслуговував «Біргехм-бензиновий двигун Smart, також і в КР 31 корпус турбіни з колектором представляв собою єдиний литої блок. Оскільки тенденція постійно йде до невеликих нагнітачів з малими моментами інерції мас, що гарантує наявність хорошого характеру спрацьовування з низьких частот обертання, то відповідно до цього положення всі виробники реструктурують свої програми. Не лише нові знання, але й нові виробничі технології формування геометрії коліс дозволили використовувати малі нагнітачі в двигунах з великою поглинаючою потребою. Так, наприклад, габарити нагнітачів, які ще недавно використовувалися в двигунах легкових автомобілів, сьогодні вже з'явилися в класі легких і середніх автомобілів для перевезення вантажів і пасажирів; в цьому нас переконує і наведений огляд на розташованому поруч малюнку.
Наприклад, з середини 80-х років Audi Quattro поставлялися ще з ККК - нагнітачами габариту До 27. Діаметр колеса турбіни цього нагнітача становить 76 мм. Зрозуміло, двигуни гоночних автомобілів потребують більших нагнітача, але все-таки і тут сьогодні необхідна відповідна підгонка нагнітачів до таких моторів і були б, безсумнівно, можливі нагнітачі конструктивного ряду К 1 (До 14 або К 16) з діаметрами 50 і відповідно 55 мм. Але ще в 1992 році 2,2-літровий п'ятициліндровий турбодвигун Audi моделі S2 був оснащений ККК - нагнітачем конструктивного ряду К 24; цей нагнітач обслуговує сьогодні легкі двигуни вантажних автомобілів (наприклад, 3,9-літровий Iveco 8040 або Mercedes ОМ 364А, обидва рядні чотирициліндрові двигуни.
Діаметр колеса турбіни До 24 становить 59 мм. Виняткова конструкція двигуна, а також високотехнологічне регулювання тиску наддуву і висока базова ступінь стиснення в підсумку роблять диво, а саме, сам двигун з таким зазвичай не прийнятим у сфері легкових автомобілів нагнітачем дуже рано починає створювати тиск наддуву. Наймолодший турбодвигун Audi, прем'єра якого відбулася на IAA у 1997 році, мав два ККК - нагнітача конструктивного ряду К 0, який до кінця 1997 року був найменшим класом у виробничій програмі ККК.
Обидва нагнітача конструктивного ряду К 03 мають діаметр колеса турбіни 45 мм. Навіть якщо б двигун Audi став монотурбо, то нагнітач До 04 коштував би всього лише 50 мм в діаметрі. І тут чітко видно прогрес, який був зроблений протягом всього лише декількох років. Новий доданий самий нижній конструктивний ряд ККК з позначенням КР замикає модельну палітру і призначений для діапазону потужності від 20 до 80 кВт. Міні-нагнітач цієї серії, який позначений як К 31 і має такий же діаметр 31 мм колеса турбіни, знайшов в 1999 році застосування в 0,8-літровому дизелі з безпосереднім упорскуванням MCC Smart. Серія К 0, яка ще зовсім недавно була найбільш нижньої в палітрі моделей, починає також з 20 кВт, але верхня межа доходить вже до 1 20 кВт. Завдяки додаванню ряду найменших нагнітачів, які звичайно підходять до випускних колекторам стандарту DIN-A-4, конструктивний ряд До 0 можна обмежити великими двигунами, причому оптимально досягається настройка між хорошим характером спрацьовування і високою продуктивністю.
Аналогічним чином стали надходити й інші виробники турбонагнітачів. У Garrett з'явився новий конструктивний ряд Т 1 2 як нова група для наддуву двигунів з малими робочими об'ємами. Т 12 використовується в 40 кВт/54 л.с. - Сильному трьохциліндровому бензиновому двигуні Smart з об'ємом 600 см 3.
Різні типи турбонагнітачів.
Коли мова заходить про «типах», то це в основному відноситься до принципу роботи турбіни, що працює на відпрацьованому газі. Турбіни турбонагнітачів розрізняються радіальні, осьові і змішані (Mixed Flow). Радіальні турбіни стали вже стандартом для застосування в легковому і вантажному транспорті, осьові турбіни використовуються у великогабаритних двигунах (наприклад, суднових). І новим додатком для автомобільних двигунів стала змішана турбіна.
Осьова турбіна.
У осьовій турбіні колесо створює виключно аксіальне напрямок потоку. Такі турбіни використовуються на суднах з потужністю двигуна в залежності від турбонагнітача з 2000 кВт, але в суднових двигунах можна виявити і радіальні турбіни.
Осьова турбіна є тільки у великих нагнітачів, наприклад, у сфері суднових додатків (на малюнку ротор з осьовим турбіною MAN B & W).
Підпис: Осьова турбіна є тільки у великих нагнітачів, наприклад, у сфері суднових додатків (на малюнку ротор з осьовим турбіною MAN B & W). Вибір типу нагнітача, чи буде він осьовий або радіальний, визначається діаметром колеса турбіни. Осьовий нагнітач не може мати малий діаметр, в іншому випадку від цього постраждає коефіцієнт корисної дії (малі довжини лопаток, великі втрати на зазорах). У радіальних турбін діаметр обмежується насамперед з експлуатаційно-технічних причин (термін експлуатації та навантаження на лопатки за рахунок імпульсів потоку). Виробник суднових двигунів з Аугсбурга MAN B & W, який виробляє також і великі нагнітачі, використовує, наприклад, радіальні турбіни до моторної потужності близько 4500 кВт в залежності від турбонагнітача. У діапазоні між 2000 і 4500 кВт з'являється альтернатива радіальної турбіні у вигляді осьової турбіни, але тут з'являється й інший, вартісної фактор: виготовлення радіальної турбіни в порівнянні з осьовим обходиться майже у два рази дешевше.
Серед іншого осьові турбіни характеризуються підключеним, нерухомо з'єднаний направляючим апаратом (nozzle ring), який крім редукції коливальних імпульсів здійснює оптимальне обтікання колеса турбіни відпрацьованими газами двигуна.
Радіальна турбіна.
Стандартом для двигунів легкових і вантажних автомобілів є радіальна турбіна. Повітряний потік проходить доцентрово, тобто обертає колесо в радіальному напрямку і залишає його в осьовому напрямку. Про карті характеристик, експлуатаційних властивостях і параметрах радіальної турбіни ще буде йти мова в цій книзі.
Турбіна змішаного типу.
У Японії з 1995 року виробник нагнітачів IHI використовує турбінні колеса, які з геометрії лопаток і куту обтікання відрізняються від існуючих радіальних турбін. Потік відпрацьованого газу подається на колесо у так званої Mixed Flow-турбіни не в радіальному, а в напівосьової напрямку. У результаті вийшов якийсь «гермафродит» з радіальної і осьової турбін. Тому обтікання колеса виконується навскоси знизу. Лопатки відповідно мають просторову кривизну, від чого зовнішній діаметр стає непостійним. Mixed Flow-турбіни також знайшли застосування в суднобудуванні. Там вони переважно і використовуються, оскільки їх власна технічна характеристика - на противагу радіальним або осьовим турбін - коефіцієнт корисної дії турбіни, може бути краще узгоджена з лінією гребного гвинта суднового двигуна. Судновий двигун діє виключно при робочій лінії постійного навантаження і частоти обертання - абсолютно протилежно двигуну вантажних автомобілів - не кажучи вже про двигунах легкових автомобілів. Але від переваг такого екзотичного типу турбінного колеса не відмовилися вантажні транспортні засоби, тому Mixed Flow-турбіни були випробувані на двигунах вантажних автомобілів і там широко запущені в серійне виробництво.
IHI все більше звертає увагу на сектор легкових автомобілів і поступово доповнює свої конструктивні ряди Mixed Flow-турбінними колесами для використання в цій сфері. Через інших за типом експлуатаційних властивостей двигунів легкових автомобілів Mixed Flow-турбіна піддалася подальшого вдосконалення, оскільки на противагу судновим двигунів серійний двигун майже завжди знаходиться в нестаціонарному режимі, тобто під змінним навантаженням. Досягнуті IHI результати багатообіцяючі: використання в двигунах легкових автомобілів у порівнянні з радіальною турбіною виявили чітко кращі нестаціонарні властивості. Безпосередньо в цій області Mixed Flow-турбіни демонструють своє найбільша перевага, а саме, мінімальний діаметр колеса і пов'язана з цим мала інерція мас.
Додати в блог або на сайт

Цей текст може містити помилки.

Транспорт | Курсова
111кб. | скачати


Схожі роботи:
Отруєння чадним газом
Тепло мкость Термодинамічні процеси з ідеальним газом
Газифікація с Козіївка Харківської області природним газом одноступеневою системою з розробкою
Особливості клініко функціональних порушень нервової системи при гострих отруєннях рудниковим газом
Управління фінансовими результатами на прикладі державного унітарного підприємства Головного управління
Електротехнічна служба управління інженерного озброєння управління начальника інженерних війсь
Управління персоналом один з найважливіших аспектів теорії і практики управління
Управління персоналом в органах соціального захисту населення на прикладі управління ДСЗН Краснодарського
Застосування системи управління ризиками при проведенні митного контролю Система управління
© Усі права захищені
написати до нас