Введение
Установка турбины - всегда привлекала к себе внимание автомобильных инженеров и энтузиастов как способ значительного повышения мощности автомобильного двигателя. Появившись почти сто лет назад, он и сегодня с успехом используется для форсирования двигателей внутреннего сгорания, будь то дизельный двигатель для трактора или мотор для полноприводного автомобиля WRC.Будучи признанным во всем мире как рецепт высокой мощности, установка турбины на двигатель позволяет успешно его модернизировать. Установив систему турбонаддува на серийный мотор, при грамотном подходе, можно добиться увеличения мощности в 1,5 - 2 раза. При соответствующей подготовке возможно получение невообразимой для серийного двигателя отдачи.
Принцип действия турбонагнетателя прост. По сути, это нагнетатель воздуха, который приводится энергией, остающейся в выхлопных газах после их выхода из цилиндров двигателя. Из энергии, выработанной в процессе сгорания топлива, приблизительно треть отдается в систему охлаждения, треть производит работу на коленчатом валу, и треть выбрасывается из выхлопной трубы в виде тепла. Именно эту последнюю, третью часть мы можем использовать для привода турбонагнетателя. Заметьте, что 200-сильные машины выбрасывают приблизительно 70 л.с. в виде теплоты прямо в выхлопную трубу. Это огромное количество энергии, которая могла бы быть использована
Основы турбонаддува
Способность турбонагнетателя увеличивать мощность наиболее наглядно демонстрировалась гоночными автомобилями Гран-при Формулы 1 эпохи 1977-1988 годов. Сравнение мощности дрегстеров с мощностью болидов Формулы 1 показывает абсолютное превосходство двигателей с турбонаддувом. Реальная мощность драгстера с 8-ми литровым двигателем находится в диапазоне 5000-6000 л . с , что означает 0,62 - 0,75 л.с. с 1 куб. см. Эти цифры выглядят блекло в сравнении с 1300-1400 л.с. 1500 кубовых двигателей автомобилей Формулы 1 1981 года, что означает отдачу от 0,86 до 0,93 л.с. с одного кубического сантиметра рабочего объема.
Однако у потенциального пользователя турбонаддува остается много вопросов, ответы на которые покажут, почему турбонаддув в равной степени полезен автомобильному энтузиасту, который использует автомобиль для повседневной езды, спортсмену, и даже уличному гонщику. Почему турбонаддув дает больший прирост мощности, чем другие способы модернизации двигателя? Потенциал повышения мощности двигателя от применения любого компрессора измеряется количеством воздуха, нагнетаемого устройством с учётом потерь мощности, затрачиваемой на привод, а так же на нагрев воздуха в процессе сжатия. Хотя может показаться, что турбонагнетатель не использует мощность двигателя, так как энергия выхлопа так или иначе будет потеряна, это далеко не так. Поток горячих выхлопных газов приводит во вращение турбину. Уменьшенные проходные сечения, свойственные ее конструкции, создают этим газам противодавление. Это вызывает некоторые потери мощности двигателя, которые не возникли бы, если бы турбонагнетатель получал энергию от другого её источника, а не от двигателя, который в нашем случае выступает в роли насоса. Потеря мощности увеличивается при уменьшении размера турбонагнетателя, потому что турбина меньшего размера создает большее противодавление. Напротив, большие турбины создают намного меньшее противодавление, и поэтому потерн мощности меньше.
И всё же затраты мощности на привод нагнетателя, свойственные двигателю с турбиной, существенно меньше, чем потери, возникающие при использовании приводного компрессора с ремнем или другим механическим приводом. То, что нагнетатель всегда нагревает сжимаемый воздух, является термодинамическим фактом, от которого мы не можем отмахнуться. Различные виды нагнетателей нагревают воздух в разной степени при одинаковых расходах газа и степенях сжатия. В значительной степени это зависит от КПД различных типов насосов. Классический компрессор типа Рутс обычно имеет КПД приблизительно 50 % при том, что турбонагнетатель имеет КПД в районе 70%. Чем выше эффективность (КПД), тем меньше нагрев воздуха. Эффективность имеет первостепенное значение для настоящих энтузиастов мощности, так как повышенная температура воздуха на впуске - враг для высоких характеристик двигателя. При высокой температуре плотность воздуха меньше, таким образом, двигатель фактически потребляет меньшее количество воздуха при более высокой температуре, даже при неизменном давлении. Второй проблемой является то, что более высокие температуры способствуют разрушительно воздействующей на двигатель детонации топливовоздушной смеси.
ПРОБЛЕМЫ ФОРСИРОВАНИЯ
Как конструкция двигателя может выдерживать эти огромные мощности? Чтобы понять, почему для конструкции двигателя не является губительной увеличенная в разумных пределах при помощи турбонагнетателя мощность, необходимо рассмотреть статические нагрузки в двигателе во время его работы. К конструкции двигателя в разные моменты его работы прикладываются два вида статических нагрузок: инерционные и мощностиые. Инерционные нагрузки могут быть растягивающими (произведены растягиванием) или сжимающими (произведены сжатием). Мощностная нагрузка может быть только сжимающей. Механизмы воздействия этих нагрузок должны стать понятны читателю как по отдельности, так и в совокупности. Это необходимо для ясного представления, почему турбонагнетатель не убивает кривошипно-шатунный механизм двигателя.
Инерционная нагрузка
Инерционная нагрузка возникает из-за сопротивления предмета ускоренному движению. Чтобы исследовать инерционные нагрузки, удобно разделить цилиндр на верхнюю и нижнюю части. Вообразите две половины, отделенные мнимой линией, называемой серединой хода поршня.
Вектор ускорения поршня всегда направлен к середине его хода (даже при движении вверх или вниз от- этой середины). Другими словами, когда поршень выше середины своего хода, он будет всегда ускоряться вниз. Когда он ниже середины хода (даже в мертвой точке), он будет ускоряться вверх. Самые большие ускорения достигается в верхней мертвой точке и нижней мертвой точке, когда поршень фактически останавливается. Когда ускорение самое большое, нагрузки будут самые высокие. Когда поршень проходит через середину своего хода ускорение нулевое, а скорость максимальна,. Величина нагрузок, возникающих при движении поршня, пропорциональна частоте вращения двигателя, возведенной в квадрат. Например, если число оборотов двигателя в минуту увеличено втрое, инерционная нагрузка будет в девять раз большей. Поршень, который двигается (ускоряется) к верхней мертвой точке и затем обратно к середине хода, прикладывает растягивающую инерционную нагрузку к узлу поршень/шатун. Напротив, когда поршень двигается к нижней мертвой точке и затем обратно к середине хода, инерционная нагрузка будет сжимающей. Таким образом, во время нахождения поршня выше середины хода инерционная нагрузка, будет растягивающей, а ниже середины хода - сжимающей. Самое большое растягивающее усилие, приложенное к шатуну - в верхней мертвой точке на ходе впуска (потому что в верхней мертвой точке в конце такта сжатия ТВС уже горит и создает давление, противодействующее инерционной нагрузке). Самая большая сжимающая нагрузка - в нижней мертвой точке после впуска или рабочего такта. Эти инерционные нагрузки огромны. В двигателе большого объема, работающем на 7000 оборотов в минуту, в шатуне могут развиваться инерционные нагрузки величиной более, чем 1,8 тонны. (Для наглядности представьте себе микроавтобус, стоящий на вашем шатунном подшипнике.)
Мощностная нагрузка
Мощностная нагрузка возникает от давления сгорающей ТВС, приложенного к поршню. Это сжимающая нагрузка, приложенная к шатуну вследствие того, что горящие газы вынуждают поршень двигаться вниз. Давление, созданное расширяющимися горячими газами, прикладывает к поршню силу, равную площади сечения цилиндра, помноженной на давление в камере сгорания. Например, шатун в двигателе с площадью сечения цилиндра 64,5 квадратных сантиметра (при диаметре 90 мм) при давлении в камере сгорания более 50 бар, будет испытывать сжимающую мощностную нагрузку в 3,6 тонны.
Особая зависимость инерционных и мощностных нагрузок наиболее интересна в верхней половине рабочего такта. Здесь мы имеем следующую картину: две нагрузки, действующие на шатун, нагружают его в различных направлениях. Помните, что инерционная нагрузка является растягивающей выше середины хода, в то время как мощностная нагрузка в любом случае является сжимающей. Мощностная нагрузка достигает максимума при максимуме крутящего момента, и постепенно снижается при дальнейшем увеличении оборотов двигателя, но вообще всегда больше чем инерционная нагрузка. Разность между этими двумя нагрузками и есть реальная нагрузка на шатун. Итак, инерционные нагрузки частично компенсируются мощностной нагрузкой.
Из вышесказанного, очевидно, что в конце такта выпуска, когда шатун/поршень достигает верхней мертвой точки и не подвергается сопротивлению сжимающихся газов (потому что все клапана открыты), достигается самое высокое растягивающее усилие. Эта нагрузка наиболее разрушительна из всех, потому что растягивающие усилия вызывают усталостное разрушение, в то время как сжимающие усилия к этому не приводят. Поэтому, когда конструктор анализирует напряжения в шатуне и шатунных болтах, его в наибольшей степени интересуют инерционные нагрузки в верхней и нижней мертвых точках.
Мысль об удвоении момента двигателя (удвоении мощности при тех же оборотах двигателя) приводит к другой мысли - об удвоении мощностной нагрузки. К счастью это не так. Показать, как мощность можно удвоить без удвоения давления в камере сгорания, проще всего графически. Любые существенные изменения расчетной нагрузки будут основаны на пиковом давлении в камере сгорания. На рисунке видно, что при удвоении количества смеси в камере сгорания, пиковое давление возрастает только приблизительно на 20%. Имеются две причины для этой непропорциональности. Во-первых, мощность - функция среднего давления по всему рабочему ходу поршня, а не только пикового давления. Среднее давление может быть значительно увеличено за счет более высокого давления в середине или в конце хода, в то время как максимум давления существенно не возрастает.
Во-вторых, максимальное давление вообще достигается после сгорания 18-20% смеси. Если количество смеси удвоено, те же 18-20% этого количества сгорят при достижении максимального давления. Так как полное давления в камере сгорания состоит из давления сжатия и давления сгоревших газов, невозможно удвоить полное давление, удваивая только одну из его составных частей. (Не иначе, законы физики благосклонны к шатунам и шатунным подшипникам.)
Тщательное изучение рисунка показывает, что при угле поворота коленчатого вала, приближающегося к 90о, давление в камере сгорания, при работе с наддувом, в три - четыре раза больше. Оно, однако, заметно меньше чем максимальное давление. Поэтому оно не создает разрушающей нагрузки. Часть рабочего хода в районе 90о - это тот участок, где возникают реальные увеличения мощности двигателя с турбонаддувом. Любой владеющий физикой товарищ, посмотрев на диаграмму, скажет вам, что область под соответствующими кривыми представляет собой мощность. Таким образом, разность в площади этих двух областей представляет собой увеличение мощности от применения турбонагнетателя. Теперь очевидно, что мы можем удваивать мощность, не удваивая нагрузку на поршень и шатун! Итак: предшествующее обсуждение показывает, что увеличенное давление в камере сгорания при использовании турбонаддува и увеличившаяся при этом мощностная нагрузка будут иметь довольно умеренное влияние на конструкцию двигателя.
Ресурс турбодвигателя
Большой ресурс турбо: достигается ли он? а как он достигается? Ответ на первый вопрос легко находится при рассмотрении нескольких примеров. Кто-то в Porsche однажды сказал, что одна миля в гонках эквивалента по износу 1000 уличным милям. Гоночные автомобили Porsche с турбомоторами выиграли так много двадцатичетырёхчасовых гонок на выносливость, что только гоночные историки могут назвать их число. Автомобили проходят на таких гонках почти пять тысяч километров. Гражданский» автомобиль с пробегом в пять миллионов километров кажется невозможным, но такая аллегория звучит внушительно. На кольцевой трассе «Daytona» Porsche 962 с турбонагнетателем развивает скорость более 320 км/ч.
Мысль о том, что он будет так носиться в течение двадцати четырех часов, может показаться ошеломительной. При осознании таких нагрузок и скорости возникает уверенность, что никто не пройдет эту гонку до конца. Однако болиды с турбомоторами успешно финишируют. Эта книга, прежде всего, касается турбонаддува не для гоночных болидов, а для обычных машин, но поставленные задачи принципиально одинаковы, даже если они различны по размаху. Гражданские» автомобили это как кусок вкусного пирога для автопроизводителей. Многие из них даже дают достаточно длительную гарантию на свои турбоавтомобили. Достигнуть большого ресурса не так легко, как ответить на вопрос, достижим ли он. В широком смысле большой ресурс сводится к контролю над теплотой в системе двигатель/турбонагнетатель. Любой элемент системы, в котором делает своё дело теплота, является кандидатом на роль ахиллесовой пяты мотора.
Для достижения большого ресурса должен быть оптимизирован каждый из этих элементов. Эта оптимизация охватывает КПД компрессора, промежуточное охлаждение, управление температурой выхлопных газов, температуру подшипников турбины, и многие другие аспекты, которые будут обсуждены в следующих главах. Мы должны найти решение поставленной задаче - "управление теплотой". При чтении этой книги будет полезно помнить, что в грамотном решении этой задачи фактически кроется успех турбодвигателя.
Турболаг
Обсуждение турбин редко обходится без упоминания о задержке (турболаге). На самом деле участники обсуждения редко говорят действительно о турболаге. Обычно они говорят о пороге наддува (турбояме). Применительно к турбонагнетателю турболаг по существу означает, как долго Вы должны ждать давления наддува после того, как открыли дроссельную заслонку. Стало быть, это явление не полезное по определению. Но турболаг не имеет никакого отношения к приемистости. Приемистость в данном случае имеет одинаковый смысл как для турбодвигателя, так и для атмосферного. Ситуация сводится к следующему - либо имеется некоторая задержка и огромное увеличение момента или напротив - отсутствие задержки и отсутствие увеличения момента. Задержка уменьшается с увеличением частоты оборотов двигателя. В то время как задержка может иметь длительность в секунду или более при низких оборотах двигателя, при увеличении наддува, на оборотах приблизительно 4000 или больше задержка фактически исчезает.
Например, в должным образом сконструированной системе наддува, давление наддува будет всегда следовать за положением вашей педали при оборотах более чем 4000 оборотов в минуту. Реакция здесь фактически мгновенна. Форма кривой момента двигателя с турбонаддувом достаточно сильно отличается от таковой у атмосферного двигателя. На двигателях с турбонаддувом максимум момента фактически всегда находится на более низких оборотах. Сопоставьте характеристики всех известных двигателей и придёте именно к такому выводу. Чем больше форсирован атмосфервый двигатель, тем больше его отличие от двигателя с турбонаддувом. Как результат для водителя это означает, что он или она не должен сильно раскручивать мотор с турбонаддувом, чтобы двигаться быстрей. Это логическое заключение идёт совершенно вразрез с популярным мнением, но факт налицо.
Горячий и холодный запуск часто представляют как проблемы высокофорсированных двигателей. До некоторой степени это справедливо в системах турбонаддува с карбюраторами, но такие системы немногочисленны. Системы впрыска топлива зависят исключительно от раз- ичных показаний температурных датчиков для холодного и горячего запуска и являются полностью автоматическими. Запуск из холодного состояния - проблема для двигателей с более низкими степенями сжатия. Если двигатель имеет проблемы в этом отношении без турбонагнетателя, он будет, вероятно, иметь те же самые проблемы с турбонагнетателем, так как нагнетатель не влияет ни на эти температуры ни на электронику. В любом случае, эта трудность не связана с турбонаддувом.
Увеличение мощности двигателя
Откуда возникает увеличение мощности двигателя? Какова формула мощности любого двигателя, и как турбонаддув влияет на эту формулу? (Не пугайтесь до смерти при упоминании формул: те из них, о которых ниже идёт речь, являются простыми и легкими для понимания.) Чтобы ответить на эти вопросы, надо изучить линейное уравнение с одним неизвестным, которое связывает мощность с параметрами, описывающими двигатель внутреннего сгорания.
Мощность = P*L*A*N
Р - среднее эффективное давление в цилиндре. Проще представить себе Р как среднее давление, воздействующее на поршень.
L - длина хода. Она сообщает, как далеко будет двигаться поршень под действием этого давления.
А - площадь сечения цилиндра. Вот она, та самая площадь, к которой приложено давление.
N - число рабочих тактов двигателя за одну минуту. Это число показывает, сколько цилиндров у двигателя и каковы его обороты.
N = число цилиндров * частота вращения двигателя/2
(Для четырехтактною двигателя, частота вращения разделена на 2 потому что каждый цилиндр совершает рабочий такт один раз за два оборота)
Здесь наблюдается несколько интересных зависимостей! Например, возьмите Р и умножьте на А, и Вы имеете произведение давления на площадь, которое является средней силой, действующей на поршень. Теперь умножьте Р*А (сила) на длину хода L (расстояние), и Вы имеете число, которое представляет собой момент, теперь берите это число и умножайте на N (с какой скоростью совершается работа), вот Вы и получите мощность (то, что и заказывали). Пожалуйста, заметьте, что это означает:
мощность = момент * обороты в минуту
Так как общая цель нашего упражнения - получение большей мощности, давайте изучим то, над чем позволяет нам поработать «PLAN». Сначала давайте посмотрим на то, что может дать работа с N. Имеются два способа получить большее количество рабочих тактов в минуту: увеличить количество цилиндров или раскрутить двигатель до больших оборотов. Это дает некоторое поле для приложения усилий: старания целой области человеческой деятельности, известной как проектирование двигателей, направлены исключительно на достижение более высоких оборотов в минуту с определенным запасом прочности. Помните, что ненавистные инерционные нагрузки растут в квадратичной зависимости от увеличения оборотов двигателя. Это означает, что при 7200 оборотах в минуту, инерционная нагрузка будет составлять 144 % от нагрузки, возникающей при 6000 оборотах в минуту. Двигатель подвергается усиленному износу и разрушению. В конечном счете, увеличение отдаваемой мощности путем увеличения N не является ни дешевым, ни приятным и не способствует достижению большого ресурса.
Так как мы, по вышеизложенным практическим причинам, не можем значительно увеличивать мощность, увеличивая N, единственный оставшийся выбор - увеличить момент, делая что-то с P*L*A. Мы должны вернуться и посмотреть на P*L*A немного внимательней. Попробуем изменить А, то есть площадь сечения цилиндра. Насколько это поможет? Измените диаметр цилиндра на 3 мм, и, возможно, вы получите увеличение мощности двигателя на 10 %..
Не стоит заморачиваться. Мы можем также изменить L, ход поршня. Может быть, получим ешё 10 %. Очевидно, что если нашей целью является существенное увеличение мощности, то А и L не дадут нам многого. Изменение Р становится нашей единственной надеждой. Как успешно изменять Р - это сложный вопрос. Р может быть изменено в 1.2,1.5,2, 3,4, 5 раз... реальный потенциал не известен, так как инженеры постоянно нащупывают новый предел. Гоночные автомобили Гран-при сезона 1987 довели развитие турбонагнетателя до высочайшего уровня, когда-либо достигнутого, доведя отдаваемые мощности почти до 1 л.с. с кубического сантиметра. Этого достаточно, чтобы сказать, что удвоение мощности нашего с вами обычного двигателя - это не детские фантазии, это наши оправданные ожидания. Здесь особенно важно заметить то, что мы значительно увеличиваем мощность без увеличения оборотов двигателя. Потому что момент PLA - это то, что мы действительно изменяем..
Турбина увеличивает момент, а момент это здорово!
Эластичность двигателя
Каковы ограничения накладываемые турбодвигателем на эластичность? Хорошая эластичность и отзывчивость на действия водителя для большинства сегодняшних автомобилей являются обязательными условиями. «Сел, завёл, поехал». Если не так, то современный потребитель будет недоволен. Принято считать, что высокая мощность и хорошая эластичность не совместимы в одном автомобиле. Данное мнение является вполне справедливым для атмосферных двигателей, но совершенно не годится в отношении двигателей с турбонаддувом. Рассмотрим факторы, определяющие эластичность: консервативные профили распредвала, малые впускные каналы, гибкость и калибровки топливной системы.
Правильный двигатель с турбонаддувом имеет профиль распредвала с малым перекрытием, обычно называемый "экономичным распредвалом". Размеры каналов обычно малы, чтобы обеспечить хорошее наполнение цилиндров на низких оборотах и позволяющие компрессору затрамбовывать воздух в них, когда требуется высокое давление. Калибровка топливной системы должна быть точной, по крайней мере для случая электронно-управляемого впрыска топлива. Очевидно, что факторы, формирующие хорошую эластичность, присутствуют в автомобилях с турбомоторами. То, что турбонаддув позволяет подать большее количество воздуха в цилиндры, когда это необходимо, нисколько не влияет на "сел, завёл и поехал."
Однако имеются два фактора, влияющие на эластичность, которые начинают играть роль при использовании турбонаддува: порог наддува и задержка (лаг). Они, впрочем, не столь уж значительно ухудшают характеристики атмосферных двигателей, так как распредвал, степень сжатия, установка угла опережения зажигания, и топливная смесь остаются фактически теми же самыми.
Выбор турбокомпрессора
Размер турбокомпрессора, выбранного для проекта, значительно влияет на степень успеха, который будет иметь система. Это никоим образом не значит, что нагнетатель только этого размера будет работать при заданных условиях, прежде всего это означает, что данный будет работать лучше всего. Компромиссы между задержкой, порогом наддува, тепловыделением, моментом на низких оборотах и мощностью - это переменные оптимизационной модели в процессе определения соответствия турбонагнетателя предъявляемым требованиям. Эти требования могут быть уточнены путем внесения в список обязательных рабочих характеристик для данного транспортного средства.
Цели могут быть различны в случаях автомобилей для повседневного использования, автомобилей с рекордной максимальной скоростью, автомобилей для дрэг-рейсинга, уличных суперкаров, настоящих гоночных автомобилей, и даже для транспортных средств, называемых пикапами. Определяющими критериями будут параметры вроде желательного порога наддува, пика момента и расчетной мощности. Транспортные средства с высокой максимальной скоростью требуют больших турбин, уличные автомобили более требовательны к моменту на средних оборотах, а низкоскоростные утилитарные транспортные средства нуждаются в небольших турбинах. Как выбрать подходящий турбонагнетатель в каждом конкретном случае и какие нюансы наиболее важны, обсуждается в следующих параграфах.
Чтобы пояснить, насколько могут различаться турбонагнетатели различного назначения, сравним эти устройства на Nissan 300ZX и на Porsche 911. Эти два автомобиля имеют сходные размеры, вес и рабочий объем двигателя, и все же их турбины существенно различаются. По размеру турбонагнетателя Porsche достаточно легко заметить, что конструкторы Porsche точно знали, что они хотели. Они установили большой турбонагнетатель на 911 по трем основным причинам:
- при работе на максимальной нагрузке большой компрессор меньше нагревает сжимаемый воздух
- большая турбина создает меньшее противодавление в выпускном коллекторе, также сокращая тепловую нагрузку
- разработчики хотели получить мощный автомобиль
Конструкторы Nissan, с другой стороны, имея намного более благоприятный с точки зрения тепловыделения двигатель с водяным охлаждением, были свободнее в выборе турбонагнетателя для почти немедленной реакции прямо с холостых оборотов. Этот небольшой турбонагнетатель дает быструю реакцию наддува в обмен на крайне высокое противодавление на выпуске и высокую температуру воздуха на впуске. Nissan, очевидно, не стремился получить серьезную мощность, поскольку они не посчитали необходимым установить какой-нибудь интеркулер для снижения этой высокой температуры. Их целью, кажется, был автомобиль, нацеленный на разгон от 0 до 60 км/ч. Конечно, они были нацелены на совершенно не такого покупателя, каким является клиент Porsche.
Хотя Porsche был объявлен всеми его дорожными испытателями ярчайшим примером конструкции с высокоинерционным турбонагнетателем, этот путь был выбран из-за меньшего нагрева. Небольшие турбонагнетатели не могли быть использованы на 911 вследствие тепловых ограничений двигателя с воздушным охлаждением, и, конечно, из-за того, что целью была серьезная мощность. Porsche, тем не менее, вполне можно назвать примером замечательно выполненной работы. Nissan же выступает в качестве примера продажи большого количества автомобилей большому количеству людей.
Компрессор
Компрессор имеет определенную комбинацию расхода воздуха и давления наддува, при которой он является наиболее эффективным. Хитрость в выборе оптимального размера компрессора состоит в том, чтобы расположить точку максимальной эффективности в наиболее используемом диапазоне оборотов двигателя. В процессе выявления наиболее полезного диапазона оборотов придется немного подумать. Не забывайте, что всегда, когда эффективность компрессора снижается, тепловыделение, производимое турбонагнетателем, увеличивается. Если был выбран такой размер турбонагнетателя, что максимальная эффективность приходится на первую треть диапазона оборотов двигателя, эффективность на максимальных оборотах и в близких к тому режимах будет настолько низкой, что температура воздуха на впуске будет просто обжигающей.
В другом крайнем случае, если максимальная эффективность системы достигается ближе к предельным оборотам двигателя, температура на средних оборотах вполне способна выйти за разумные пределы. Нагнетатель такого размера был бы полезен только для двигателя, работающего на этих оборотах, вроде мотора автомобиля Bonneville. Где-то в середине диапазона оборотов двигателя находится наилучшее место, чтобы расположить там точку максимальной эффективности компрессора. Большие или малые размеры компрессора не оказывают критического влияния на инерционность турбонагнетателя или на порог наддува. Рабочее колесо компрессора - самая легкая вращающаяся часть турбонагнетателя, следовательно, его вклад в полную инерцию вращающегося ротора довольно низок. Порог наддува - главным образом функция скорости турбонагнетателя, которая управляется турбиной.
Давление наддува
Часто выбор турбонагнетателя производится под влиянием других факторов, а не из соображений оптимальной термодинамики или максимальной мощности. Стоимость автомобиля, например, может определять число турбин. Нелепо было бы надеяться увидеть Ferrari V-12 с одним турбонагнетателем или Mazda Miata с двумя. Стоимость также играет важную роль при проектировании деталей системы. Если требуется низкая цена, возможно даже отказаться от жидкостного охлаждения корпуса подшипника в пользу более частой замены масла.
В конечном счете, реальная потребительская ценность выбранного оборудования будет зависеть не только от мощности, термодинамических коэффициентов или числа турбин. Скорее, это будет выражаться в том, каким образом Ваша машина ведет себя на дороге. Она в самом деле быстра, и ее скорость прекрасно Вами ощущается? Она действительно отзывчива на педаль и легко бежит? Она плавно и непринужденно разгоняется до максимальных оборотов? Она заставляет Вас улыбаться, когда никто вокруг не увидит вашей улыбки?
Начните с выбора нескольких кандидатов на роль Вашего компрессора, чьи степень повышения давления и расход воздуха, согласно их картам, находятся в требуемом диапазоне оборотов при значении эффективности не ниже 60 %. Когда Вы отсеете заведомо непригодные устройства и остановитесь на двух-трёх вариантах, необходимо будет произвести некоторые расчеты, чтобы выбрать между ними.
Выбор размера турбины, что такое A/R турбины
Предполагаемое применение системы двигатель+турбонагнетатель является также основным критерием при выборе размера турбины, поскольку определяет выбор между моментом на низких, средних или максимальных оборотах двигателя. При этом выборе приходится иметь дело с двумя величинами: основной размер турбины и отношение площадь/радиус (A/R).
Основной размер турбины
Предполагается, что основной размер турбины характеризует её способность производить мощность на валу, необходимую для привода компрессора при желаемом расходе воздуха. Поэтому большие турбины, вообще говоря, обеспечивают более высокие отдаваемые мощности, чем небольшие. Для простоты картины оценивать размер турбины можно по диаметру её выходного отверстия. Строго говоря, это является упрощением теории турбин, однако на практике такой подход даёт возможность оценить способность турбины обеспечить тот или иной расход.
Диаграмма диаметра выходного отверстия турбины относительно расхода воздуха на впуске - не точный инструмент для выбора, но приблизительный критерий первоначального отсеивания.
Разумный метод выбора турбины состоит в том, чтобы проконсультироваться с источником, у которого Вы приобретаете турбонагнетатель. Конечно, при выборе будет существовать возможность допустить ошибку в ту или иную сторону. И так как выбор происходит в пределах первоначального предназначения системы турбонаддува; имеет смысл выбирать каждый раз запас в большую сторону.
Выбор отношения A/R турбины
В то время как основной размер турбины является критерием расхода газа через турбину, отношение A/R даёт инструмент точного выбора из диапазона основных размеров. Чтобы легко понять идею отношения A/R, представьте кожух турбины в виде конуса, обернутого вокруг вала в виде спирали. Распрямите этот конус и отрежьте небольшой кусок на некотором расстоянии от конца. Отверстие в конце конуса - выходное сечение кожуха. Площадь этого отверстия это и есть «А» в отношении A/R. Размер отверстия существенен, поскольку он определяет скорость, с который выходят отработанные газы из улитки турбины и попадают на ее лопатки. При любом заданном расходе газов для увеличения скорости их истечения требуется уменьшение площади выходного отверстия. Эта скорость имеет существенное значение для управления частотой вращения турбины. Необходимо иметь в виду, что площадь выхода влияет на побочный эффект обратного давления отработанных газов и, таким образом, оказывает влияние на процессы, протекающие в камере сгорания двигателя. «R» в отношении A/R - расстояние от центра площади сечения в конусе до оси вращения вала турбины. Все «А», разделенные на соответствующие им «R», дадут одинаковый результат:
«R» тоже оказывает сильное влияние на управление скоростью турбины. Представьте, что кончики лопаток турбины движутся с той же скоростью, что и газ, когда он попадает на лопатки. Отсюда легко понять, что чем меньше «R», тем выше частота вращения турбины.
Следует заметить, что увеличение «R» дает прирост момента на валу турбины для привода рабочего колеса компрессора, поскольку та же самая сила (поток выхлопных газов) прикладывается на большем плече рычага (R). Это позволяет приводить большее рабочее колесо компрессора, если этого требуют условия применения.
Тем не менее, чаще всего при выборе турбины варьируют параметр «А», в то время как радиус остается постоянным. Упрощенный подход к выбору отношения А/ R показан на следующем рис.
Выбор, который кажется логичной отправной точкой для отношения A/R - это одно, а фактически полученный правильный результат - это совсем другое. Обычно неизбежны пробы и ошибки. Разумный выбор может быть обоснован количественным образом или, в некоторой степени, качественной характеристикой адекватности реакций турбосистемы. Количественная оценка требует измерения давления в выпускном коллекторе или на входе турбины и сравнения его с давлением наддува.
Результатом неправильного выбора отношения A/R может стать увеличение инерционности наддува, если отношение слишком велико. Отношение A/R может быть столь большое, что не позволит турбонагнетателю развить обороты, достаточные для достижения желаемого давления наддува. Если отношение, напротив, чрезмерно мало, реакция турбонагнетателя может быть столь быстра, что будет казаться нервной и трудной для управления. Результат проявится и в виде отсутствия мощности в верхней трети диапазона оборотов двигателя. Это будет похоже на атмосферный двигатель с небольшим карбюратором, у которого закрыта воздушная заслонка.
Разделенный выхлопной коллектор
Разделенный выхлопной коллектор позволяет импульсам выхлопных газов быть сгруппированными (или отделенными) по цилиндрам на пути к турбине. Ценная идея такого технического приёма состоит в том, чтобы донести энергию каждого импульса выхлопа к турбине нетронутой и не взаимодействующей с энергией других импульсов. Это может давать турбине немного больший толчок, который заставит ее вращаться. Если рассматривать случай абсолютного разделения импульсов и энергии, подводящихся по выхлопным каналам от восьмицилиндрового двигателя, то турбина получит большее количество энергии, чем это необходимо почти в любой ситуации. Таким образом, разделенный выхлопной коллектор не будет давать значительного улучшения на V8 с одним турбонагнетателем. Для сравнения, четырехцилиндровый двигатель, в котором один рабочий ход происходит каждые 180" вращения коленчатого вала, нуждается во всей энергии, которую он может получить от каждого выхлопного импульса. Сохранение этих импульсов изолированными и не подверженными
интерференции позволит получить некоторые улучшения.
Две турбины или одна?
Существуют несколько причин для ложного предоставления о целесообразности использовании двух турбин там, где могла бы работать одна. Вероятно, наиболее популярное мифическое преимущество двух турбин взамен одной связано со снижением инерционности. Это заблуждение вообще трудно оправдать. Разделение пополам энергии выхлопа, подаваемой в каждую из двух турбин пропорционально квадрату инерции и кубу расхода газов, необязательно способствует уменьшению инерционности. Несколько турбин подразумевают большее количество мощности, которая, в том числе, является функция от эффективности турбонагнетателя. При прочих равных условиях, большой турбонагнетатель более эффективен, чем малый.
Для использования двух турбин должны существовать серьезные основания. В частности, такой вариант может быть актуальным в случае V-образных или горизонтальных оппозитных двигателей. Конструкция выпускного коллектора - один из ключей к получению большой мощности, и компоновка с двумя турбонагнетателями, вообще говоря, может сделать конструкцию более совершенной. Потери тепла в окружающую среду из перекрестной трубы в V-образных двигателях может быть значительна. Помните, что это та самая теплота, которая приводит в действие турбину. Компоновка с двумя турбонагнетателями обычно требует двух вестгейтов.
Другая, не менее важная задача - синхронизация этих двух вестгейтов, может быть достигнуто намного лучшее управление скоростью турбины при низких давлениях наддува. Стабильность давления наддува при высоких расходах газов также улучшена. Если используются внешние вестгейты, в отличии от интегрированных, фактическое проходное сечение для отработанных газов может быть увеличено, установив отдельные выхлопные трубы для вестгейтов. Большая площадь сечения выхлопа для турбины - это всегда усовершенствование системы.
Выхлопные трубы от двух турбин будут фактически всегда давать большее увеличение расхода. Например, две трубы диаметром 50 мм обеспечивают существенно большее проходное сечение, чем одна труба диаметром 75 мм. Еще одна причина превосходства двух турбин при известных условиях то, что теплота разделяется между двумя агрегатами, позволяя каждому, работать с более низким подводом тепла. Теплота, поглощенная материалом турбонагнетателя пропорциональна температуре газов и их массовому расходу. Температура останется тот же самой, но массовый расход газа будет уменьшен вдвое. Таким образом рабочую температуру турбонагнетателя можно понизить, а его предполагаемый срок службы несколько увеличить.
