Впервые техническая идея загнать в автомобильный двигатель больше воздуха с помощью энергии вращения коленвала пришла в голову Готтлибу Даймлеру в 1885 году, а в 1905 году швейцарец Альфред Бюхи получил патент на аналогичную систему, работающую уже от энергии выхлопных газов. Но до реализации этих решений в автомобилях прошло некоторое время — первый серийный легковой автомобиль «наддули» с помощью приводного нагнетателя в 1921 году — им стал Mercedes-Benz.
Турбонагнетатели же стали получать распространение в авиационных двигателях 1930-х годов, так как там было особенно важно справляться с потерей мощности по мере набора высоты, где плотность воздуха становится меньше.
Понагнетаем...
Высотность моторов во Второй Мировой Войне оставалась краеугольным камнем боевого применения самолётов. Различные задачи перед авиацией требуют различных высот применения.
В 20-е гг. проблему пытались решить путём создание т. н. «переразмеренных» моторов.
В чём их сущность? Обычный маловысотный двигатель рассчитывается на выдачу максимальной мощности у земли. С ростом высоты, в связи с падением плотности воздуха, его мощность будет понижаться. Получается, что на высоте он излишне прочен. Можно сделать двигатель, рассчитанный на выдачу мощности на высоте. А что бы такой мотор не сломался из-за избыточной мощности у земли, подачу топлива на малой высоте ограничим.
В 30-е гг. проблему высотности решили с помощью т. н. ПЦН – приводного центробежного нагнетателя, мощность на работу которого отбиралась от двигателя.
Нагнетатели позволяли не только поднять высотность двигателя, но и осуществить его форсирование. Как никак за единицу времени в цилиндр попадал больший заряд смеси.
Правда без ложки дёгтя ничего не бывает. Экономичность таких моторов, по сравнению с атмосферными, снизилась. Сказались потеря мощности на привод нагнетателя, потери газа на трение в коллекторе двигателя, увеличение температуры смеси из-за сжатие газа в нагнетателе, а отсюда и работа на более богатой смеси для компенсации возросшей температуры.
Но остался вопрос с расчётной высотой для такого двигателя. Чем больше мощности передать от двигателя к ПЦН, тем большую работу нагнетатель выполнит, и тем выше будет расчётная высота двигателя.
Но т. к. двигатель рассчитан на определённую степень форсирования, то до расчётной высоты давление наддува будет избыточным. Решается проблема дросселированием ПЦН. А раз передача мощности от двигателя к нагнетателю постоянна, то на высотах меньше расчётной, эта мощность будет пропадать в туне. Т. е. более высотный двигатель на малых высотах будет проигрывать менее высотному, ибо у последнего на привод нагнетателя тратится меньше мощности.
Проблему узкой заточенности под определённые высоты двигателей с ПЦН конечно начали решать.
Самым простым средством стало применение многоскоростных ПЦН. Сначала двухскоростных, а затем трёхскоростных.
Шагом вперед стало применение двухступенчатых нагнетателей. В таком нагнетателе две крыльчатки находятся друг за другом. Это решение позволило поднять высотность моторов, одновременно «срезав» провал мощности между двумя скоростями нагнетателя.
Но и это решение оказалось не без отрицательных сторон. КПД двухступенчатого ПЦН стало ниже одноступенчатого (сказались потери мощности на привод второй ступени, нагрев газа из-за большого сжатия в нагнетателе). Что в основном выражалось в повышенном расходе топлива.
Другим направлением разработок являлись турбокомпрессоры. Главным отличием ТК от ПЦН является привод не от двигателя, а использование «дармовой» энергии выхлопных газов.
Выхлоп по трубам попадает в турбину, сообщая ей свою энергию, а уже турбина осуществляет привод нагнетателя. Плюсов – куча. Прыгает вверх экономичность такой установки, повышается высотность мотора, исчезают «изломы» мощности по высоте двигателей с ПЦН.
Но и минусов оказалось не мало, в частности сложное и дорогостоящее производство и ремонт турбин на специализированных предприятиях, что обусловило доводку ТК до серии только в одной стране – США.
Необходимым условием удовлетворительного функционирования ТК являлись жаропрочные сплавы и высокооборотные подшипники. Но и это не всё. Серийные образцы имели одну особенность: от двигателя до ТК шла длинная жаропрочная труба, где газы охлаждались, а далее сам ТК оказывался немалых размеров.
Данный факт выливался в большую массу и габариты установки. Что бомбардировщикам было сносно, но истребителям резко уже не оптимально. И если истребителя с ТК выигрывали у своих оппонентов с ПЦН на больших высотах, то на средних и малых высотах проигрывали из-за явного перетяжеления конструкции. Практика показала, что для высотного истребителя двухступенчатый ПЦН всё таки лучше.
Стоит упомянуть ещё одну особенность ТК. В процессе эксплуатации оказалось, что на малых оборотах давления газов не хватает для штатного функционирования ТК. И двигатели часто глохнут.
Выходом стало применение связки ПЦН-ТК, т.н. комбинированный наддув. Низковысотный ПЦН сообщал так не хватаемый наддув на низких оборотах.
Вскоре газовые нагнетатели нашли своё применение и в грузоперевозках — прибавка в крутящем моменте оказалась для дизелей судов и локомотивов очень кстати. Первой легковушкой с турбонагнетателем под капотом стало купе-хардтоп Oldsmobile Jetfire с 215-сильным V8.
А вот с наддувным дизельным седаном всех опередил производитель из Старого Света — в 1978 году появилась версия 300SD лимузина Mercedes-Benz W116.
Вскоре дизельные автомобили приобрели в Европе огромную популярность, а турбонаддув стал неотъемлемой частью конструкции легкового дизеля.
В автотракторных двигателях пошли несколько иным путями:
Для стравливания излишнего воздуха в районе впускного патрубка или интеркулера в систему встраивается перепускной клапан, который отправляет воздух обратно на впуск перед турбокомпрессором (тогда клапан называется байпасным) или в атмосферу (блоу-офф-клапан).
Чтобы понизить порог наддува, когда турбина создаёт избыточное давление, и сократить зону турбоямы, создатели турбокомпрессоров используют различные конструктивные ухищрения.
Самые распространённые из них — крыльчатка с изменяемой геометрией и твинскролльная горячая «улитка». TwinScroll предусматривает два параллельных, но разного размера и формы канала для выхлопных газов в едином корпусе улитки — газы в каждый из каналов попадают от своей группы цилиндров, но крутят единое турбинное колесо. Его лопатки выполнены таким образом, что одинаково эффективно воспринимают импульсы из обоих каналов.
Из-за различной геометрии каналов и достигается хорошая тяга одновременно и на низких, и на средних и высоких оборотах, а отсутствие столкновения и завихрения потоков газов от разных групп цилиндров улучшает газодинамические свойства системы.
Турбины же с изменяемой геометрией имеют специальные, приводимые актуатором, подвижные лопатки-заслонки, которые в разных положениях позволяют менять форму газового канала в горячей улитке (упрощённо — в разное время имитируют маленькую и большую турбину) и таким образом максимально эффективно в конкретный момент времени направлять на турбинное колесо поток выхлопных газов.
Напоследок в этой теме стоит упомянуть о промежуточном охлаждении смеси за ПЦН.
У высотных двигателей работа, осуществляемая нагнетателем над газом, настолько велика, что смесь весьма сильно нагревается. И по закону термодинамики расширяется, приводя к уменьшению заряда, попадаемого в цилиндры. Выходом стало применение промежуточного радиатора, охлаждающего смесь перед попаданием в двигатель.
Но этот шаг приводит к увеличению аэродинамического сопротивления. Что выгодно только для высотных двигателей.
А как же дизели?
Во ВМВ дизели не завоевали особой славы. Но перед войной разработки широко велись во многих странах. Дизели фирм Паккард, Юнкерс, Клерже, Бристоль тому пример. Почему же тратилось столько труда? Перед карбюраторными моторами дизель имеет ряд преимуществ. Благодаря высокому КПД, дизель очень экономичен. Благодаря впрыску, дизель сохраняет номинальную мощность на более бедной смеси. И потому меньше теряет мощность с высотой. А бОльший крутящий момент позволяет лучше переносить изменение нагрузки и дольше сохранять неизменные обороты или угол атаки лопастей пропеллера.
Но имеется у дизелей один недостаток. Большая степень сжатия вынуждает делать более прочный, но потому и более тяжёлый мотор. Проигрыш перед карбюраторными в удельных параметрах становится уж больно большой. Но это ещё пол беды. Избыток в весе авиадизеля перекрывается экономией топлива через 2-3 часа полёта. Главная беда заключалась в увеличенных сроках доводки мотора в связи с большой сложностью конструкции. На момент доводки дизеля, он был уже никому не нужен из-за своих слабых удельных параметров и малой мощности.
Потому и получились серийные дизели, нашедшие применение на самолётах, только в двух странах. В Германии и СССР. Немцы пошли по пути доводки ресурса и получили надёжные, но маломощные авиадизели Юмо. Мы сделали ставку на высокие удельные параметры и мощность. Получив по циферкам неплохие, но ненадёжные дизели Чаромского и Яковлева. После войны наработки по авиа-дизелям нашли применение в танкостроении и на флоте.
Однако, дизелизация авиации всё-таки значительно повлияла на развитие авиационных ДВС. Это выразилось в применении впрыска топлива и повышении степени сжатия в камере сгорания с 5 до 7-9 единиц.
Впрыснем разок, впрыснем другой...
В инжекторной системе впрыск топлива в воздушный поток осуществляется специальными форсунками (инжектор - форсунка), расположенными либо на месте карбюратора (во впускном коллекторе) — «моновпрыск», либо недалеко от впускного клапана каждого цилиндра (как правило, конструктивно во впускном коллекторе) — «распределённый впрыск» (он же многоточечный "коллекторный"), либо в головке цилиндров, и впрыск происходит в камеру сгорания — «прямой впрыск».
К форсункам топливо подаётся под давлением, а количество впрыснутого топлива при этом определяется механическими устройствами управления. В наиболее общем случае идея управления таким впрыском заключается в дозировании количества топлива специальным клапаном. Клапан же, в свою очередь, управляется через систему рычагов воздушным потоком, воздействующим на легкую «тарелочку», стоящую на пути потока. В настоящее время впрыски с механическим управлением практически вытеснены впрысками с управлением электронным.
Основные достоинства инжекторных двигателей по сравнению с карбюраторными: уменьшенный расход топлива, улучшенная динамика разгона, уменьшение выбросов вредных веществ, стабильность работы.
Первый мотор со впрыском был изготовлен в России в 1916 году Микулиным и Стечкиным. Это был первый авиационный двигатель, перешагнувший 300-сильный рубеж..
Впервые массово была применена во вторую мировую войну в основном на истребителях воюющих стран, как удобная альтернатива карбюраторной системе, т.к. инжекционной системе впрыска в силу конструкции безразлично рабочее положение( вверх ногами или как обычно). Карбюраторные системы для работы под углом к горизонту необходимо дополнять множеством устройств, либо применять специально спроектированные карбюраторы. Однако судьба систем была разной. Японская система на истребителях "Зеро" требовала промывки после каждого полета, и поэтому не пользовалась популярностью в войсках. Русская же система впервые была применена на двигателе АШ-82 (для истребителей Ла-5). Мотор со впрыском - АШ-82ФН оказался настолько удачным, что выпускался еще долгие десятилетия, использовался на вертолете Ми-4 и до сих пор используется на самолетах Ил-14.
Форсаж? Форсаж. Форсаж!
Работа авиационного мотора проходит большую часть жизни далеко не на максимальных режимах.
Режимов много и они предназначены для разных задач. Когда нужна максимальная дальность, когда максимальная мощность на взлёте.
- Главным режимом является номинальный. Все остальные режимы двигателя отсчитываются от номинального в процентах.
Режимы меньше номинального называются крейсерскими, а больше номинального, форсажными.
- На форсажных режимах ресурс двигателя уменьшается, а на крейсерских увеличивается. На форсажных режимах применяется богатый состав смеси что бы отодвинуть границу детонации при увеличившемся наддуве и облегчить тепловой режим двигателя.
- На крейсерских режимах применяется бедный состав смеси, что бы увеличить экономичность двигателя.
Рассмотрим режимы работы двигателя.
- На номинальном режиме двигатель должен работать около 40-50% общего срока службы периодами непрерывной работы не больше часа.
- Взлётный режим применяется естественно при взлёте. Взлётная мощность достигается увеличением наддува и оборотов. Мощность двигателя на этом режиме составляет 110-120% от номинальной, а иногда и больше. На взлётном режиме двигатель должен работать не более 5% общего срока службы периодами непрерывной работы не более 5 мин. Ограничение вызвано недостаточным охлаждением двигателя на малой скорости.
- Боевой режим применяется естественно в бою. И, как и взлётный, достигается увеличением наддува и оборотов. Мощность на таком режиме примерно равна взлётной мощности. На этом режиме двигатель должен работать не более 15-25% общего срока службы периодами непрерывной работы не более 10-15 мин.
- Чрезвычайный режим применяется, естественно, в чрезвычайных ситуациях. Когда требуется от кого-то убежать или кого-то догнать. Мощность на этом режиме достигает 130-160% от номинальной мощности. И в основном достигается увеличением наддува. Тепловые и механические нагрузки на двигатель при таком режиме настолько велики, что его применение ограничивается рядом условий, а само применение ведёт к уменьшению ресурса. На этом режиме двигатель должен работать не более 3% общего срока службы периодами непрерывной работы не более 1-5 мин.
Сами форсажные режимы получили наибольшее распространении в период Второй Мировой Войны и в основном на истребителях.
Гонка за мощностью привела к применению высокооктанового топлива (позволяющего отодвинуть границу детонации) и форсажных жидкостей.
- Одну группу форсажных жидкостей составляют вода и водоспиртовые смеси. Эти жидкости обеспечивают интенсивное охлаждение горючей смеси. Плюсом является увеличение заряда, попадающего в цилиндры двигателя, сдвигом границы детонации и охлаждение самого двигателя. Эта группа применяется для форсирования на малых высотах.
- Вторую группу составляет закись азота. Плюсом закиси азота является принос в цилиндры двигателя «халявного» кислорода, которого так нахватает на больших высотах. Естественно закись азота применяется для форсирования на больших высотах.
Минусами всех этих жидкостей является их вес и снижение ресурса двигателя.
После Второй Мировой войны...
Мощнейшую конкуренцию после войны двигателям внутреннего сгорания составили Турбо-Реактивные Двигатели. Проигрыш по удельным параметрам и КПД Винто-Моторной Группы на трансзвуке был непоправим. Двигатели внутреннего сгорания сохранились только для задач, связанных с дальностью. Ибо по КПД, а следовательно экономичности, выигрывали у ТРД почти в два раза.
В это время происходит развитие мощных многорядных воздушного и многоблочных жидкостного охлаждение моторов. Эволюция термодинамических процессов и нагрузки у этого типа моторов привела к тому, что «жидкостники» и «воздушники» сравнялись практически по своим параметрам. Так же эти моторы отличала т.н. «комбинированная схема», когда энергия выхлопных газов тратится ещё и на вращение турбины, мощность которой передаётся на вал мотора.
Но в 50-е с развитием Турбо-Винтовых Двигателей и Турбо-Реактивных Двигателей нового поколения и барьер экономичности тоже рухнул. Двигатели внутреннего сгорания ждала только лёгкая (и сверхлёгкая) авиация, где большим тепловым режимом в связи с малыми мощностями и не пахло. И "жидкостники" окончательно вымерли. Звёзды же остались в основном в спортивной авиации, в основной массе потеснённые рядными и оппозитными двигателями воздушного охлаждения. Правда в последнее время в сверхлёгкую авиацию стали возвращаться дизеля, но уже "автомобильного" происхождения.
Современные четырёхтактники достигли своего "физического" эволюционного предела и давно уже конструктивно не развиваются. Эволюция "чистых" ДВС завершилась. Наступает Эра комбинированных силовых установок, совмещающих преимущества ДВС и других двигателей, что обещает значительное повышение КПД.
Послесловие
Трагическое противостояние развитых технических цивилизаций во Второй Мировой войне послужило "катализатором" бурного развития военной техники и прежде всего авиации, которая в свою очередь крайне нуждалась в мощных, компактных и надёжных двигателях, создаваемых "на грани" существующих в то время технологий. Ресурс высокофорсированных двигателей был зачастую весьма ограничен и рассчитан всего на несколько вылетов, что впрочем в условиях "мировой бойни" вполне устраивало военных.
Другим путём пошло развитие автомобильного двигателестроения, где важнее всего были низкая стоимость массового производства и эксплуатации, ресурс и ремонтопригодность, дешёвые и доступные сорта топлива и масел. Тем не менее, хоть и с отставанием в 50 лет, но автомобильное двигателестроение, с точностью повторило путь развития авиационных ДВС и в конце концов упёрлось в тот-же эволюционный тупик....
Не верите?! Давайте тогда перечислим последние "достижения" автомобильного двигателестроения:
- Многоступенчатые турбонагнетатели с промежуточным охлаждением воздуха.
- т.н. «комбинированная схема», когда энергия выхлопных газов тратится ещё и на вращение турбины, мощность которой передаётся на вал мотора (турбо-компаунд).
- Степень сжатия доведённая до 9 единиц и применение 100 октановых бензинов
- Повышение числа оборотов коленчатого вала - "раскрутка" двигателя - с 2-х до 5-7 тыс. об/мин
- Инжекторная система подачи топлива, устанавливаемая на современных бензиновых двигателях взамен устаревшей карбюраторной системы. Также современные системы электронного впрыска способны адаптировать программу работы под конкретный экземпляр мотора, под стиль вождения водителя, и т.п.
- Многоблочные двигатели - несколько блоков цилиндров на один коленвал (Н- и W-образные двигатели).
- Применение форсажных жидкостей и газов.
Шумные пиар-акции автопроизводителей, по поводу очередного "шедевра" высоких технологий, вызывают саркастическую усмешку - вот уж во-истину: "Всё новое, это хорошо забытое старое!" Приходиться лишь сожалеть, что весьма ограниченные ресурсы планеты и труд сотен тысяч инженеров тратятся на то, что-бы заново "открыть" то, что давно уже всем известно и массово применяется в других отраслях машиностроения!
Оглавление:
- ПОЛНЫЙ КАТАЛОГ СТАТЕЙ Дзен.Канала Русский Инжиниринг
- КАТАЛОГ СТАТЕЙ. АВИАЦИЯ РККА.
- КАТАЛОГ СТАТЕЙ. МОТОРЫ в СССР.
- РККА. ВВС. Воздушная война без моторов?
- Аспекты эволюции Авиационных и Автотракторных ДВС. Часть I.
- Аспекты эволюции Авиационных и Автотракторных ДВС. Часть II.
- М-29 ЖРД Полярного (Грошенкова),
- М-4 V8 Испано-Сюиза, 200 л.с., c 1921 г.
- М-9 Старостина А-8 (аксиальный), 400 л.с. 1922 г. опытный
- М-17 Микулина V-12 / BMW-VI, 680 / 730 л. с. при 1660 об/мин., с 1931 г.
Автор компиляции: Сергей Иванов Инженер-механик
по материалам:
Эволюция четырёхтактных ДВС. Александр Ильин
Завод "КТСервис" осуществляющий ремонт турбин
Сергей Иванов "The Russian Engineering" - 2010 ©
Последнее обновление 10.11.2021 г.