Основы турбонаддува. 1 часть.
Принципы работы турбированных двигателей
Двигатель внутреннего сгорания автомобиля марки ВАЗ, в силу некоторых своих конструктивных особенностей, такой метод повышения мощности, как расточку цилиндров, установку спортивного распределитного вала, доводку головки блока цилиндров и изменения степени сжатия под топливо с увеличенным октановым числом переносит не очень уверенно. Вернее, переносит, но при всем при этом увеличить штатную мощность в полтора раза (при соблюдении условий сохранения возможности гражданского использования автомобиля) уже сложно, а повысить мощность на 70% практически нереально. В случаях, когда появляется необходимость значительно увеличить максимальный крутящий момент двигателя ВАЗ (на 60-100%), самым эффективным методом будет установка турбокомпрессора. Это устройство позволит повысить общее количество поступающего в цилиндры двигателя воздуха благодаря его предварительному сжатию.
Вообще, процедура прохождения воздуха внутри двигателя внутреннего сгорания с установленным на него турбокомпрессором включает в себя следующие основные этапы:
- изначально воздух очищается в воздушном фильтре и поступает на вход турбины;
- в компрессоре данный воздух сжимается, благодаря чему увеличивается его плотность и насыщенность кислородом на каждую единицу объема воздуха;
- при этом, в процессе сжатия воздуха, его плотность слегка снидается из-за нагрева;
- для восстановления температуры нагретого в турбокомпрессоре воздуха и увеличения его плотности, далее система направляет его в интеркулер, где он и проходит процедуру частичного охлаждения (к слову, охлаждение воздуха – это не только возможность повысить показатель его плотности, но еще и снизить риски детонации топливовоздушной смеси в цилиндре);
- после охлаждения в интеркулере, воздух поступает во впускной коллектор через дроссельную заслонку, а после достигает такта впуска, где и наполняет собой цилиндры двигателя внутреннего сгорания.
Даже при том, что рабочий объем цилиндра двигателя всегда ограничен ходом поршня и его собственным диаметром, кислорода в таком случае поступает значительно большее количество, как раз благодаря повышению плотности воздушной массы. Увеличенной количество кислорода позволяет сжигать за каждый отдельный такт большее количество топлива, соответственно, повышая показатели мощности двигателя в сравнении с атмосферной установкой того же объема.
После того, как топливовоздушная смесь сгорает, она направляется в выпускной коллектор (такт выпуска), в котором поток отработавшего газа, разогретого до критических температур (вплоть до 1100 градусов по Цельсию), попадает непосредственно на турбину. Проходя через турбину, отработавшие газы начинают вращать ее вал, приводя в движение и компрессор, который находится на другом из его концов. В этот момент давление и температура выхлопных газов снижаются, потому как часть указанной энергии тратится на раскрутку лопастей турбины и компрессора.
В непосредственной зависимости от особенностей компоновки двигателя и конкретной модели турбокомпрессора, последний может быть доукомплектован некоторыми дополнительными элементами – вестгейтом или боу-оффом. Принцип работы этих элементов попробуем рассмотреть более детально.
Блоу-офф (Blow-off) – это устройство часто называют перепускным клапаном. Оно устанавливается непосредственно в воздушной системе, прямо между выходом из турбокомпрессора и дроссельной заслонкой. Его использование позволяет снизить риски выхода компрессора на работу в режиме помпажа. Помпаж, к слову, можно назвать нежелательным процессом, который характерен для работы ряда компрессоров лопастного типа. В этом случае в системе трубопроводов начинает происходить пульсация давления и подачи. Чаще сего, помпаж компрессора появляется при недостаточном расходе воздушной массы или увеличенном выше нормы давлении наддува. То есть, при резком закрытии дроссельной заслонки Blow-off позволяет направить избытки давления в системе в атмосферу и избежать серьезных перегрузок компрессора.
Система Вестгейт (Waste gate) скомпонована с применением механического клапана, который устанавливается непосредственно на турбинной части или выпускном коллектора. Данный клапан позволяет тщательно контролировать давление, создаваемое турбокомпрессором. То есть, благодаря Waste gate выхлопные газы получают возможность обойти турбину в случае повышения давления в ней. Данная система позволяет точно управлять давлением системы турбонаддува, создаваемое компрессором. С этой целью вестгейт использует лишь давление наддува и давление встроенной в него пружины, которая открывает «ворота» при повышении установленного значения. Waste gate встроенный в турбину, как правило, состоит из заслонки, встроенной в корпус самой турбины, пневматического акуратора и тяги от него к заслонке. А вот внешний Waste gate представлен в виде клапана, который устанавливается на выпускной коллектор еще до турбины. В числе основных преимуществ внешнего вестгейта модно назвать тот факт, что сбрасываемый им обходной поток всегда можно вернуть в выпускную систему на удаленном от выхода из турбины расстоянии или попросту выбросить в атмосферу. Последнее чрезвычайно актуально для двигателей большинства спортивных автомобилей. Все это позволяет значительно повысить эффективность прохождения газов по системе, прежде всего, благодаря полному отсутствию разнонаправленных потоков в корпусе самой турбины.
Масляное и водяное охлаждение
При использовании шарикоподшипниковых турбин, к примеру, марки Garrett, появляются возможности для заметного снижения расхода масла в сравнении с втулочными конструкциями. Вот почему, при повышенном (до 4 атмосфер и более) давлении масла настоятельно рекомендуется установка масляного рестриктора. В этом случае слив масла следует заводить в поддон уровнем чуть выше основного уровня масла в нем. А центральный картридж турбины компрессора желательно направлять так, чтобы слив масла был направлен вниз, потому как он должен происходить исключительно под действием обычной силы тяжести.
В время резких остановок двигателя масло в центральном картридже начинает коксоваться, что становится причиной быстрого выхода турбины из строя. Основная причина коксования заключается в теплообмене между разогретым до критических температур выпускным коллектором и турбиной. Этот теплообмен возникает в момент поступления свежего масла при условии недостаточного количества холодного воздуха.
Чтобы нейтрализовать этот неприятный эффект в работе турбокомпрессора, турбину принято оснащать системой водяного охлаждения. Посредством специальных водяных шлангов, которые обеспечивают образование так называемого эффекта сифона, удается снизить температуру в центральном картридже турбины даже в момент полной остановки двигателя. В этом случае специалисты также рекомендуют предусмотреть минимальные неравномерности в вертикальной оси направления подачи жидкости и дополнительно развернуть картридж по отношению к оси турбины, но не более чем на 25 градусов.
Тонкости выбора турбины
Вообще, правильный выбор турбины будет находиться в прямой зависимости от достаточно большого числа факторов. Учитывать приходится не только технические аспекты (модель автомобиля и серия двигателя), но и условия, в которых форсированный таким образом силовой агрегат будет эксплуатироваться. Основной критерий, на который приходится ориентироваться в данном случае – это, разумеется, мощность, которую мы хотим извлечь из конкретного двигателя. Разумеется, что в этом случае придется ориентироваться на реалистичные оценки возможностей опытного образца, в противном случае срок его службы будет сокращен в разы. Как только необходимая мощность будет определена, можно заняться выбором конкретной турбины, способной обеспечить необходимый для достижения таких результатов приток воздушной массы.
Помимо показателей производительности турбины, не менее важным условием выбора будет скорость выхода на работу в режиме наддува, а также минимальные обороты в работе двигателя, при которых это произойдет. Повысить данные показатели можно за счет выбора корпуса турбины уменьшенного размера. Но, при таком выборе вы не сможете получить максимальное увеличение мощности двигателя. Как бы там ни было, но при правильном выборе даже очень скромной по своим размерам турбины, вы можете добиться лучшего эффекта, чем с турбиной больших размеров, обладающей большей пиковой производительностью. Ведь максимальная производительность во втором случае будет доступна вам лишь на высоких оборотах работы двигателя. Основные же преимущества от использования маленьких турбин заключаются в их более быстром выходе на работу в режиме наддува, то есть, наддув активируется в более широком диапазоне оборотов двигателя. Как показала практика, турбины большого размера лучше всего устанавливать именно на спортивные автомобили.
Втулочные и шарикоподшипниковые турбины
Как мы уже говорили ранее, невзирая на повсеместное распространение турбин именно втулочного типа, последним временем их все более активно вытесняют более эффективные и производительные – шарикоподшипниковые турбины. Изначально шарикоподшипниковые турбокомпрессоры были представлены в гоночной линейке марки Garrett Motorsport. Оригинальное конструктивное исполнение центрального картриджа позволило шарикоподшипниковым турбинам Garrett Motorsport продемонстрировать наиболее оптимальную реакцию турбины на дроссельную заслонку и чрезвычайно быстрый переход в режим наддува. Так, режим наддува в этом случае активизировался примерно на 15% быстрее, чем в случае с втулочными аналогами. Данная особенность шарикоподшипниковых компрессоров позволила также добиться и весьма заметного снижения эффекта турбо-ямы, приблизим динамические характеристики турбированных силовых установок к высокопроизводительным атмосферным двигателям с огромным рабочим объемом.
Кроме всего прочего, турбины такого типа, как оказалось, экономны в отношении расхода масла, чем обусловлена не только приятная экономия средств, но и снижение рисков коксования масла при остановках в работе двигателя. Наконец, шарикоподшипниковые турбины предъявляют намного меньше требований к качеству масла, снижая при этом риски его протечки через сальники.