Управление отработавшим газом в турбокомпрессоре (стр. 2 из 5)

И все-таки нужно прямо спросить с автомобильного мотора: кто может предоставить много крутящего момента при низких оборотах. Естественно, только тот, кто использует потенциал содержащейся в отработавшем газе кинетической энергии. Поэтому и используются трубопроводы с узким поперечным сечением, благодаря которым повышается скорость выходящего отработавшего газа. При этом справедливо: отдельные выпускные трубопроводы должны по возможности подводиться по отдельности (для уменьшения взаимного воздействия при «неблагоприятных» интервалах между вспышками), чтобы затем слиться непосредственно перед впуском в турбину в один магистральный коллектор. Это, естественно, связано с очень большими потребностями места в моторном пространстве и поэтому для серийных автомобилей следует пойти на компромисс, чтобы в процессе изготовления установить в кузове полностью смонтированный турбоагрегат. И здесь, естественно, все преимущества за тюнингом, когда все изменения существующего двигателя можно проводить непосредственно в смонтированном состоянии (смотрите также главу, посвященную тюнингу). Практикуемое в двигателях легковых автомобилей преобразование энергии отработавшего газа складывается, таким образом, из одной половины в виде импульсного наддува и второй половины - газотурбонаддува с подводом отработавшего газа с постоянным давлением.

Выпускной коллектор

Как видно на примерах использования этих двух вариантов газотурбонаддува, работа турбины, прежде всего, зависит от геометрии и конструкции выпускного коллектора. Если необходимо получить хороший коэффициент полезного действия турбины, то следует по-настоящему отрегулировать отдельные выпускные потоки цилиндров. И это необходимо еще и потому, что у двигателей легковых автомобилей поровну практикуется как импульсный наддув, так и газотурбонаддув с подводом отработавшего газа с постоянным давлением.

Импульсный преобразователь

Особой формой выпускного коллектора является «импульсный преобразователь». Английское выражение достаточно точно отражает смысл этого компонента, речь идет здесь о регулировании или конвертировании потока отработавших газов. Импульсный преобразователь помогает там, где из-за неблагоприятных интервалов между вспышками нельзя больше использовать импульсный наддув с двухструнными впускными корпусами турбин. Но чтобы и при таких условиях можно было использовать кинетическую энергию отработавших газов для привода турбины, объединяемые отдельные потоки отработавшего газа так подводятся к импульсному преобразователю, чтобы не создавалось ни запирающих, ни обратных потоков. Происходит, напротив, тип динамического обмена между отдельными потоками, которые соответственно получают ускорения в направлении впуска в турбину. При конструировании такого преобразователя помимо необходимого поперечного сечения трубопроводов учитывают также и геометрию разделительного элемента в разветвлении отдельных потоков. Этот разделительный элемент оказывает существенное влияние на скорость и направление потока отработавших газов. Импульсный конвертер пригоден для всех распространенных типов двигателей легковых автомобилей: четырех-, пяти-, и восьмицилиндровых агрегатов.

Даже когда в сфере легковых автомобилей, за исключением Volvo, не используют двойных лопаточных турбин и не применяют чистую форму импульсного наддува, то все равно современные выпускные коллекторы все больше и больше похожи на импульсные преобразователи. Форма и исполнение коллектора не бросает на произвол судьбы и случая потоки отработавших газов, а руководит отдельными потоками в системе. Типичным примером импульсного преобразователя на основе коллектора является 2,2-литровый пятицилиндровый бензиновый турбодвигатель Audi, который в своем последнем исполнении в 1991 году имел мощность 169 кВт/230 л.с. Здесь были реализованы три подводящих канала к одноструйной турбине, у которой потоки отработавшего газа, один из одного цилиндра и второй из двух цилиндров, сводились только перед впуском в турбину. Несмотря на неблагоприятные интервалы между вспышками с углом поворота коленчатого вала 144° в конечном итоге создавался импульсный наддув, так как благодаря позднему сведению потоков отработавших газов сохранялась кинетическая энергия отдельных потоков и уменьшались обратные потоки в соседние цилиндры.

Система выпуска отработавших газов

Что в народе часто понимают под «выхлопной трубой», то в турбодвигателе представляет из себя внешне дорогостоящую и достаточно сложную картину, состоящую из чугунного коллектора, клапанов, газопроводов и глушителей, причем последний непосредственно у турбодвигателя может и отсутствовать, поскольку сама турбина уже функционирует как первичный глушитель. В системах выпуска отработавших газов проявляется одно из серьезных различий в концепции двигателей с механическим наддувом, так как их системы выпуска в принципе смогут отталкиваться от базового мотора.

Поскольку у турбодвигателя весь отработавший газ частично проходит через турбонагнетатель, а частично через байпасный клапан, то эти два компонента являются интегрированной составной частью системы отвода отработавших газов. При конструировании комплексной системы выпуска отработавших газов турбодвигателя следует поэтому прежде всего принимать во внимание следующие два фактора:

· Прочность и стойкость системы и соединений

· Термодинамическое согласование с турбонагнетателем.

Что касается прочности и стойкости системы выпуска отработавших газов, то здесь возникают крупные проблемы, которые в большей части проявляются в зоне коллектора перед газотурбонагнетателем. Тепловая нагрузка здесь вследствие противодавления в турбине существенно выше по сравнению со свободно протекающим потоком отработавшего газа в двигателе без наддува. Это приводит - прежде всего у бензиновых двигателей из-за высоких температур отработавших газов - не только к необходимости использования жаропрочных и соответственно дорогостоящих материалов для коллектора; ранее это были преимущественно высоколегированное хромоникелиевое стальное литье или специальные, зарегистрированные марки литья. Сегодня встречаются уже у турбобензиновых двигателей (например, Audi 2,7-литровый Biturbo) «коллекторы из листовой стали» в форме систем трубопроводов с изолированными воздушными зазорами, которые требуют ничуть не меньше затрат по сравнению с литыми коллекторами, а напротив, обходятся еще дороже. О таком виде высокотехнологичных системы еще подробней поговорим.

До сегодняшнего дня остается еще, разумеется, дорогостоящим закрепление нагнетателя на коллекторе, поскольку пока еще не идет речь об «интегральной нагнетательной системе», как мы увидим в следующих главах. Так как коллектор в результате нагревания (у бензиновых двигателей температура может доходить до 1500°С) достаточно активно работает, то введение уплотнений и болтовых соединений в головки цилиндров затруднительно. Высокожаропрочные винты, специальные муфты, смотря по обстоятельствам, отдельный коллектор и компенсаторы из высококачественной стали обуславливают соответственно конструкторские и экспериментальные затраты, которые едва ли сравнимы с затратами подобных работ у двигателей без наддува.

Не столь сложна эта проблема у дизельных двигателей, которые имеют более низкие тепловые нагрузки; ибо значения температур отработавших газов, которые достигаются в турбодизелях с системами непосредственного впрыскивания, чаще всего находятся ниже 700°С.

Тем не менее, выпускной коллектор должен выдерживать не только высокие температуры и связанные с ними нагрузки, но и нести на себе всю тяжесть нагнетателя, который, как правило, посредством фланцевого соединения закрепляется непосредственно на коллекторе. Это может, в частности, в плохо отрегулированных двигателях с произвольной инерцией масс (например, рядный четырехцилиндровый двигатель и тем более будущие трехцилиндровые двигатели) привести к появлению проблем со сроком эксплуатации, на которых мы еще остановимся в соответствующей главе при рассмотрении нагрузок турбодвигателей. При использовании общепринятых еще несколько лет назад отдельных клапанов регулирования давления наддува, при наличии которых коллектор имел разветвление перед турбиной, раньше также должны были при конструировании и назначении параметров коллекторов учитываться их слабые места. На сегодня эти отдельные «перепускные» клапаны и трубопроводы скорее являются исключением; а распространенные сейчас и встроенные в корпус турбины байпасные каналы, естественно, уже не создают коллектору никаких проблем.