Как известно, мощность двигателя можно повысить несколькими путями. Самый распространенный путь – американский. «Объему нет альтернативы» – это именно их пословица. Другой вариант – повысить частоту вращения коленвала. Можно, но сложно. При высокой скорости вращения поршни догоняют клапаны, что «лечится» установкой пружин повышенной жесткости. Зато возникают другие проблемы – мала тяга и момент на «низах». Годы идут, научно-технический прогресс не дремлет и… появилась такая замечательная система, как VTEC.
Однако имеется еще один, самый эффективный способ. Есть великий соблазн увеличить количество рабочей смеси, попадающей в цилиндры. Тогда мощность будет ограничена только прочностью мотора. В принципе, любое усовершенствование всегда тянет за собой ворох проблем – в данном случае это октановое число (для бензиновых двигателей) и требовательность так называемых надувных агрегатов к качеству обслуживания.
Итак, схем для увеличения количества топливо-воздушной смеси, попадающей в цилиндры автомобильных двигателей, пока только две – компрессорная и турбонаддувная. Компрессор – это устройство для сжатия топливной смеси, имеющее привод от коленвала двигателя. Хороший способ, некоторые компании давно используют его и получают очень неплохие результаты по характеристикам моторов. В данном случае речь идет о таких грандах, как, например, Mercedes и Toyota. Mercedes до сих пор упорно использует этот прием, а Toyota практически полностью переключилась на турбонаддув, если речь идет о бензиновых двигателях.
Если же говорить о дизелях, то практически все моторы, имеющие мощность более 80 КВт, оснащены турбинами. Преимущества автомобильных двигателей, оснащенных турбокомпрессорами, очевидны:
1) хорошее соотношение масса/мощность;
2) кривая крутящего момента может быть лучше адаптирована к специфическим условиям эксплуатации;
3) обеспечивается лучшее сгорание топлива;
4) уменьшенное количество токсичности отработанных газов;
5) работает более стабильно, а турбина уменьшает шум от выпуска (работает как глушитель).
Дизельные двигатели по удельной мощности не могут сравниться со своими бензиновыми собратьями, поэтому легковые автомобильные дизели практически все оборудованы турбонаддувом. Вспомним, например, YD25DDTi производства Nissan – объем 2,5 л, мощность на уровне продвинутых бензиновых аналогов (174 л. с.), а крутящий момент на «низах» всегда был сильной стороной дизелей. Турбина представляет собой две крыльчатки на единой оси – одна крыльчатка на впуске, другая – на выпуске. После того как мотор начинает работать, крыльчатку на выпуске заставляет вращаться поток выхлопных газов. Соответственно, крутится и крыльчатка на впуске, создавая избыточное давление.
Теоретически, чем выше обороты двигателя, тем быстрее и объемнее поток выхлопных газов. Соответственно, давление наддува пропорционально увеличивается. Это – замкнутый круг. При такой схеме мотор просто пойдет «вразнос». Спасает его от этого байпасный (перепускной) клапан, который стравливает избыточное давление. Производители рассчитывают, до какой величины можно «дуть» в двигатель, чтобы сохранить ресурс и работоспособность.
На самом деле все, конечно, не так просто. При малых оборотах давление выхлопных газов небольшое, а турбина – штука довольно тяжелая, производится из чугуна, пока раскрутятся крыльчатки, проходит какое-то время. Кроме того, степень сжатия по сравнению с атмосферными моторами снижена. Соответственно, на малых оборотах мы имеем провал по мощности, который называется «турбояма». На высоких оборотах, когда турбина уже раскрутилась, чувствуется ощутимый рывок, так называемый «турбоподхват». Тут опять возникает проблема – нагреваются обе крыльчатки, и на впуск идет горячий воздух, в то время как для оптимизации рабочего процесса нужен холодный. Поэтому применяется специальное охлаждение наддувного воздуха с помощью так называемого интеркулера – промежуточного охладителя. Прежде чем попасть в цилиндры, наддувный воздух идет через интеркулер.
Вообще, турбонаддув – нежная штука. При покупке автомобиля на вторичном рынке нужно внимательно осматривать крыльчатки на предмет замасленности. Если турбина «гонит» масло, жить такому агрегату осталось очень недолго, особенно при наличии катализатора на автомобиле. Турбина забивает маслом ячейки катализатора, тот снижает пропускную способность на выходе, ячейки обгорают, турбина «задыхается» и еще больше «гонит» масло. Получается замкнутый круг, в результате которого владелец подобного автомобиля «попадает» на две очень дорогие вещи: турбину и катализатор.
Об особенностях обслуживания турбированных моторов поговорим чуть позже, а пока остановимся на конструктивных особенностях подобных систем. Турбояма для гражданских автомобилей – явление очень вредное. В рваном городском режиме недостаток мощности на «низах» очень хорошо чувствуется. Для «спортсменов» это некритично, в любом случае они держат обороты двигателя не ниже оборотов максимального момента. Поэтому автомобили, претендующие на экстремальную спортивность, имеют одну турбину высокой производительности, которая позволяет максимально поднять мощность. Для гражданских версий применяются различные ухищрения. Например, ставятся турбины маленького диаметра, имеющие меньшую инерционность, а чтобы не снижать значительно мощность, применяется сразу несколько штук.
Если турбины стоят параллельно, то система называется Bi Turbo. Используется она, как правило, на V-образных двигателях, на каждую половинку – своя. Намного чаще применяется схема с последовательным подключением турбин – Twin Turbo. Такую компоновку можно встретить на серийных Nissan Skyline и Toyota Supra. До определенных оборотов работает одна, а при высоких – подключается вторая. Несмотря на небольшой диаметр турбин, турбоподхват на этих культовых автомобилях весьма ощутимый, за что их и любят.
Гражданские версии спортивных машин имеют приличный запас прочности, чем и пользуются любители тюнинга. Зачастую можно поднять мощность турбомотора с минимальными затратами. Рецепт прост – переписывается программа управления двигателем и используется буст-контроллер. Буст-контроллер – это прибор, управляющий клапаном отсечки. Можно выставить давление наддува, превышающее рекомендованное заводское. Но в этом тоже необходимо знать меру. Как правило, компании, торгующие «китами» для тюнинга, располагают подобной информацией. Советую прислушаться к их советам, чтобы потом не раскошеливаться на дорогостоящий ремонт.
Лет 10 назад появилась такая интересная вещь, как турбина с изменяемой геометрией. Принцип ее работы – изменение сечения на входе. При низких оборотах сечение уменьшается, на высоких – увеличивается с помощью вакуумного привода. Таким образом оптимизируются рабочие процессы, практически полностью убирается турбояма, да и турбоподхват тоже. Более того, при такой схеме работы байпасный клапан зачастую уже не нужен. Лопатки турбины могут менять наклон в зависимости от потока выхлопных газов, привод осуществляется вакуумом либо избыточным давлением с помощью кулачков или рычагов. Оптимизирует процесс электроника.
Идея турбины с изменяемой геометрией уже давно витала в воздухе, только осуществить ее было непросто. Такая система боится высокой температуры, а выхлопные газы в бензиновых двигателях зачастую нагреваются до 1000 оС, поэтому подобные решения стали применяться сначала на дизелях, благо, температура отработавших газов там значительно ниже. По мере роста технологий подобные агрегаты появились и на бензиновых моторах. Первой ласточкой была компания Porsche со своим легендарным 911-м.
Отдельно стоит упомянуть эксплуатацию моторов с приставкой Turbo. Они, безусловно, более капризны и требовательны к качеству обслуживания. Ротор в корпусе турбины вращается на гидродинамических подшипниках. Это – подшипники скольжения, в которых масляный клин, создающийся высоким давлением, не дает перейти на пограничное трение – металл по металлу. Нечто подобное можно наблюдать на коленвале и распредвале. Разница только в скорости вращения. Если у коленвала это 5-6 тыс. об./мин., то у турбины – 110-115 тыс. об./мин., а скорость на конце лопатки ротора – как у пули, 300 м/с. Отсюда – повышенные требования к системе смазки и рабочему давлению в гидродинамических подшипниках. Поэтому сразу нужно осознать одно – торопиться не нужно. Желательно прогреть двигатель перед поездкой, чтобы вязкость моторного масла пришла в норму. Поскольку требования к системе смазки повышенные, масло для таких моторов должно быть качественное и сертифицированное.
Торопиться не нужно и в конце поездки. При глушении мотора давление в системе смазки падает до нуля, а массивная турбина продолжает вращаться уже без масляного клина. Но даже это – полбеды. Хуже другое. Раскаленная турбина изменяет смазывающие свойства масла и превращает последнее в твердое тело – лак. В результате чего ротор может приклеиться к корпусу, и следующий запуск мотора станет последним. Если водитель вовремя не заметит горящую лампочку давления масла, выйдет из строя не только турбина, но и двигатель. Давление в системе смазки большое. Соответственно, масло из системы уйдет за минуту, а дальше – сами знаете. Поэтому покупайте сигнализацию с возможностью подключения турботаймера – это намного продлит срок службы такого прецизионного, требующего внимания, но очень полезного агрегата, как турбина.
Comments 10
Очень достойно изложено! Полезный пост для тех, кому слово "турбо" не пустое место!
Спасибо, старался быть полезным! Почитав сам, понял, что может кому-то поможет и кто-то найдет что-то для себя познавательное! :)
Приятно что ценят! ;)
читается на одном дыхании, это конечно кто понимает такие вещи как турбо!=)) если есть ещё что-то захватывающее, то обезательно вылаживай!=)
У меня есть блоги и про тюнинг атмо мотора ВАЗ, в разделе про мою "десятку"! Считаю и что эта статья может тебе интересна будет!
очень интересный пост)))
Мне тоже так показалось… Поэтому после прочтения на каком-то из сайтов решил выложить здесь :) …а вдруг помогу брату-односайтовцу! ;)
))) одному уже помог) сделай пост про ротор всё таки NSU-были первыми кто его запотентовал как ни как к Ауди относится)))
;) Хорошо, обязательно сделаю… как только наткнусь на достойный вариант! ;)
В последнее время стали применять такой способ регулирования подачи воздуха, как изменяемый угол наклона лопаток компрессора. Идея эта, опять-таки, давняя, а вот воплотить ее долго не могли; в качестве примера назовем новейший агрегат наддува "опелевских" дизелей "Экотек".
Еще одна проблема использования тубин — это их небольшой срок жизни, хотя в последнее время удалось значительно увеличить это время. Как уже упоминалось, частота вращения ротора турбины должна быть очень велика. До 150-200 тысяч об/мин. До последнего времени срок службы всего агрегата ограничивала именно долговечность подшипников. По сути, это были вкладыши, подобные вкладышам коленчатого вала, которые смазывались маслом под давлением. Износ таких подшипников скольжения был, конечно, велик, однако шариковые не выдерживали огромной частоты вращения и высоких температур. Выход нашли только недавно, когда удалось разработать подшипники с керамическими шариками. Сперва это сделали японские фирмы, а затем и шведский СКФ — и машины с такими подшипниками появились на дорогах. Однако достойно удивления не применение керамики — подшипники заполнены постоянным запасом пластичной смазки, то есть канал от штатной масляной системы двигателя уже не нужен! На очереди — металлокерамический ротор турбины, который примерно на 20% легче изготовленного из жаростойких сплавов, да к тому же обладает меньшим моментом инерции.
По своему влиянию на характеристику крутящего момента двигателя турбокомпрессор вроде бы схож с механическим центробежным. Но "опосредствованная" система привода позволяет подстраивать характеристики турбокомпрессора в более широком диапазоне, выравнивая изначальные дефекты кривой крутящего момента мотора. Турбины низкого и высокого давления на сравнительно "маломерных" двигателях Volvo, Volkswagen или Saab — это ли не примеры.
Что касается "битурбо" и "твинтурбо" вместо одной турбокомпрессорной установки используются две — параллельно (бывает и последовательно, но реже). Каждый ротор поменьше, полегче, менее инерционен, более отзывчив. И управлять диапазонами их работы при последовательном надду-ве можно по-разному, добиваясь нужной итоговой характеристики.
Дело в том что ротор турбокомпрессора нельзя сделать большим! И все потому, что чем больше диаметр турбины, тем выше ее момент инерции. Стало быть, даже если водитель при разгоне порезче нажмет на педаль акселератора, быстрого ускорения все равно не получится: придется подождать, пока турбина наберет соответствующие обороты. Итак, турбину следует сделать как можно меньше по диаметру. Но поступление воздуха зависит от окружной скорости лопаток, которая тем меньше, чем меньше диаметр ротора: Остается увеличивать обороты, хотя и тут есть ограничение, на этот раз со стороны допустимых нагрузок на материалы. Вот и используют несколько турбин с меньшим диаметром в паралель.
Система Интеркуллер.
Вы скорее всего встречали на машинах надпись "интеркулер" на борту. Сжимаемый компрессором воздух неизбежно нагревается. При этом уменьшается его плотность и содержание в нем кислорода, ради которого, собственно, все и затевалось. Посему перед подачей в двигатель сжатый воздух стоит охладить — в дополнительном радиаторе, который и именуется интеркулером. При умеренной форсировке мотора без интеркулера можно обойтись, но если делать все "по-большому", его применение неизбежно.
И вот ещё нашёл интересное чтиво :)
Теория турбонаддува. Турбина и ее родственники!
Кто из автолюбителей не слышал волшебное слово "турбо"? Звенит в ушах, воображение рисует нечто мощное, стремительное. На этом фоне как-то скучно звучат термины "механический компрессор" или, хуже того — "объемный нагнетатель". На деле — не совсем так. Или совсем не так.
Какой водитель не мечтал о том что бы в его автомобиле жило намного больше лошадок под капотом чем есть. Если кто-то заявит, что он не из таких, то наверняка слукавит. Благо последнее время данную проблему довольно легко решить, вариантов увеличения мощности двигателя, да и комплектующих как грязи. В нашу жизнь плотно вошло слово "тюнинг" и многие тюнинговых ателье берутся сделать с вашим любимцем все, что угодно.
В русский язык с давних пор вошел термин "форсировка" (от английского force — сила), который означает "увеличение мощности". Стоит вспомнить, что мощность двигателя напрямую связана со следующими его основными параметрами:
— рабочим объемом цилиндров;
— количеством подаваемой топливо-воздушной смеси;
— эффективностью ее сжигания;
— энергетической "заряженностью" топлива.
Стоит заметить, что есть ещё несколько вариантов увеличения мощности — полировка впускного/выпускного каналов, применение фильтров нулегого сопротивления, применение прямоточной системы выхлопа, изменение параметров программного обеспечения (чип-тюнинг), расточка цилиндров или переходе с бензина на "нитру" (закись азота).
Перечисленные решения позволяют увеличить мощность, но не существенно, раз ве что это не касается "нитроса". Кардинальное решение одно — увеличение подачи топливо-воздушной смеси. Чем больше топлива сжигается в единицу времени, тем выше мощность мотора. Но бензин не горит "просто так", для этого нужен воздух (кислород) — во вполне определенных количествах. Чтобы увеличить подачу топлива, вначале придется соответствующим образом увеличить подачу воздуха. Сам мотор с этой задачей не справится — его возможности по всасыванию воздуха ограничены (даже при применении фильтров с нулевым сопротивлением). Поэтому и появились те самые "турбо", "компрессоры" и "нагнетатели". Они разные, и дают разные результаты.
Для начала немного теории:
Представим себе такт впуска двигателя внутреннего сгорания: мотор в это время работает как насос, к тому же весьма неэффективный — на пути воздуха (горючей смеси) находится воздушный фильтр, изгибы впускных каналов, в бензиновых моторах — еще и дроссельная заслонка. Все это, безусловно, снижает наполнение цилиндра. Ну а что требуется, чтобы его повысить? Поднять давление перед впускным клапаном — тогда горючей смеси (для дизелей — воздуха) в цилиндре "поместится" больше. Энергия сгорания заряда с большим количеством топлива, само собой, станет выше; вырастет и общая мощность двигателя.
Для этих целей было придумано довольно много решений, но распространение получили не многие.
1. Роторный нагнетатель Roots.
Создан Фрэнсисом Рутсом еще в 1860 году. Первоначально использовался как вентилятор для проветривания промышленных помещений. Суть конструкции: две вращающиеся в противоположных направлениях прямозубые "шестерни", помещенные в общий кожух (напоминает современный маслонасос). Объемы воздуха в пространстве между зубьями шестерен и внутренней стенкой корпуса благополучно доставляются от впускного коллектора до выпускного. В 1949 году другой американский изобретатель — Итон — усовершенствовал конструкцию: прямозубые "шестерни" превратились в косозубые роторы, и воздух теперь перемещался не поперек их осей вращения, а вдоль. Принцип работы при этом не изменился — воздух внутри агрегата не сжимается, а просто перекачивается в другой объем, отсюда и название — объемный нагнетатель, а не компрессор.
2. Спиральный компессор Lysholm.
Автор идеи — немецкий инженер Кригар, время рождения — конец позапрошлого века, первоначальное назначение — промышленное, сейчас известен под именем Lysholm благодаря работам шведского инженера Алфа Лизхолма, который в конце 30-х годов прошлого века приспособил конструкцию для автомобильного применения. Внешне — если не снимать кожух — очень похож на нагнетатель Roots. Отличия внутри. Вроде бы те же два ротора, вращающиеся навстречу друг другу перекачивают объемы воздуха вдоль осей, но сильно лихо закручены. Сечения роторов намного сложнее, они разные. Самое главное: шаг закрутки роторов меняется по длине, и при перемещении вдоль осей объем перекачиваемого воздуха в каждой ячейке уменьшается — воздух сжимается. Поэтому Lysholm — не просто нагнетатель, а чистой воды компрессор.
3. Центробежный компрессор (устоявшегося "фирменного" названия не имеет).
В корпусе-улитке вращается крыльчатка сложной формы. Воздух засасывается по центру и отбрасывается по периферии, при этом благодаря действию центробежных сил происходит его сжатие. По этому это не просто нагнетатель, а тоже компрессор.
4. Турбокомпрессор, оно же турбонагнетатель.
По сути, это тот же центробежный компрессор, но с другой схемой привода. Это самое важное, можно сказать, принципиальное отличие механических нагнетателей от "турбо", пусть даже и "би…", и "твин…". Именно схема привода в значительной мере определяет характеристики и области применения тех или иных конструкций. У турбокомпрессора крыльчатка-нагнетатель сидит на одном валу с крыльчаткой-турбиной которая встроена в выпускной коллектор двигателя и приводится во вращение отработавшими газами. Прямой связи с коленвалом двигателя нет, и управление подачей воздуха осуществляется за счёт давления отработавших газов, так сказать, по второй производной. Для данной конструкции присуща замедленная реакция на быстый "подхват".
Как следует из определения, механический нагнетатель/компрессор — роторный, спиральный или центробежный — имеет механический привод, который осуществляется ремнем от коленвала двигателя (иногда через промежуточные шкивы). Здесь главное в том, что обороты нагнетателя/компрессора жестко связаны с оборотами коленвала.
Нагнетатель Roots и компрессор Lysholm
Нагнетатель Roots, и компрессор Lysholm имеют линейные характеристики, обороты компрессора увеличиваются синхронно с оборотами коленчатого вала, пропорционально растет подача воздуха, и кривая крутящего момента двигателя, практически не меняя свою форму, равномерно перемещается вверх. У центробежного и турбокомпрессоров характеристики нелинейные — их производительность увеличивается с ростом числа оборотов. Поэтому установка того или иного агрегата по-разному меняет характеристики (кривые мощности и крутящего момента) двигателя.
Оба типа компрессоров весьма эффективны с самых низких оборотов, но Lysholm обеспечивает более плоскую характеристику на высших, у Roots ее спад начинается несколько раньше. К преимуществам Lysholm можно отнести и более высокий КПД, и лучшее соотношение габариты/масса, к тому же он меньше нагревается при работе. Рабочая частота вращения обычно 12-14 тыс. оборотов, но может доходить до 25 тыс. об./мин.
Роторы Lysholm с их сложной формой требуют высочайшей точности изготовления — компрессоры этого типа появились на рынке заметно позже других. Главные их производители — шведские компании Lysholm и Autorotor. Более известные потребителю фирмы Kleemann, Whipple и пр. в основном поставляют готовые комплекты на шведской основе, разработанные для конкретных двигателей. Комплекты включают интеркулер, систему привода, входной коллектор, переходники и разную мелочевку…
Механический центробежный компрессор
Механический центробежный компрессор конструктивно наиболее прост и компактен, из-за чего весьма популярен — у американских "самодельщиков". Правда, тут требуется промежуточное механическое устройство для повышения числа оборотов ротора (обычный диапазон — до 100.000 об./мин.). Производительность нелинейная — чем выше частота вращения, тем больше воздуха подается за каждый оборот. На низах эффективность практически нулевая, поэтому увеличения тяги здесь ожидать не приходится. Где-нибудь повыше можно получить заметный подъем кривой крутящего момента, но лишь в довольно узком диапазоне оборотов. Следовательно, понадобится коробка со сближенным рядом и постоянная активно-утомительная работа ее рычагом…
Турбокомпрессор/турбонагнетатель.
Турбокомпрессор, по большому счету — тот же центро-бежный компрессор, но с принципиально иным приводом. Частота вращения может превышать 200.000 об./мин. Явное достоинство: повышение КПД и экономичности мотора (механический привод отбирает мощность у двигателя, этот же использует энергию отработавших газов, следовательно, КПД увеличивает). Минус — инерционность: "вдавил" резко ГАЗ и жди, пока мотор наберет обороты, увеличится давление выхлопных газов, раскрутится турбина, с ней крыльчатка нагнетателя — и наконец, "пойдет" воздух. Но с этим явлением, именуемым "турбо-яма" (по-английски "turbo-lag", что правильнее было бы перевести как "турбо-задержка" или "турбо-пауза"), научились бороться…
Поэтому, кроме собственно агрегата наддува, под капотом "поселились" два перепускных клапана: один — для отработавших газов, а другой — чтобы перепускать излишний воздух из коллектора двигателя в трубопровод до компрессора. Этот клапан также управляется давлением во впускном коллекторе. Таким образом, частота вращения ротора турбины при сбросе газа снижается незначительно, и при последующем нажатии на педаль задержка подачи воздуха составляет десятые доли секунды — время закрытия клапана.