Управление отработавшим газом в турбокомпрессоре (стр. 3 из 5)

По меньшей мере, также важны, наряду с прочностью и закреплением, и термодинамические параметры системы выпуска отработавших газов турбодвигателей. Здесь нужно считаться с типом загрузки турбины, совершается ли она импульсным наддувом или наддувом с подводом отработавших газов с постоянным давлением. Из чего в соответствующих случаях состоят системы выпуска, уже шла речь в главе, посвященной этим видам газотурбонаддува.

Когда отдельно встроенные байпасные клапаны еще считались стандартом, то головную боль и создавал другой фактор: речь идет о перепускном канале, таком отводе от коллектора перед турбиной, который заботился о снабжении клапана регулирования давления наддува отработавшим газом. Как мы еще далее увидим, этот канал тоже сегодня интегрирован в корпус турбины. Но для обеих альтернатив справедливо: необходимы специальные уловки, чтобы не оказать отрицательного влияния на коэффициент полезного действия турбины. У некоторых, но редко используемых, отдельных перепускных клапанов имеется дополнительный объем, который затрудняет использование содержащейся в отработавшем газе кинетической энергии, у встроенных каналов имеется риск неоптимального обтекания турбины основным потоком масс отработавшего газа. Нарушение такого обтекания - и это относится, естественно, и к не оптимально уложенным перепускным каналам при наличии отдельных байпасных клапанов - может возникать в том случае, когда ответвление перепускного канала неблагоприятно исполнено и при открытии клапана регулирования давления наддува из-за разветвления потока образуются завихрения, которые препятствуют поступлению отработавших газов в корпус турбины и тем самым приводят к появлению высокого скоростного напора, что, естественно, не способствует хорошему коэффициенту полезного действия нагнетателя.

Также и другое направление в системах выпуска обуславливает сегодня наличие мастерства у конструкторов: оно относится к размещению каталитических нейтрализаторов и учету связанных с ними термических параметров, чтобы нейтрализаторы при холодном запуске по возможности раньше смогли начать свою работу. Сначала о самом нейтрализаторе: поскольку он как деталь является мешающим фактором (вследствие противодавления) в системе выпуска отработавших газов, то конструктивно должен в этом отношении как можно меньше бросаться в глаза. Преимуществами обладают металлические каталитические нейтрализаторы, которые по своему материалу, по сравнению с керамическими нейтрализаторами, допускают более тонкие стенки и большие поперечные сечения в сотовой структуре. Это снижает, в конечном счете, и противодавление, но является очень дорогим удовольствием. Металлическими каталитическими нейтрализаторами вооружил Porsche свой 911 Turbo (Biturbo, модельный год 1994). Porsche уже давно догадывался о достоинствах металлических каталитических нейтрализаторов; его двигатель без наддува имел их уже в 1988 году. На 911 Turbo использовался носитель с так называемой «TS»-структурой. Эта структура гарантировала не только эффективное прохождение отработавшего газа и соответствующую нейтрализацию, но к тому же имела еще и то преимущество, что плотность ячеек при одинаковом объеме и одинаковой эффективности слабо падает - что к тому же способствует небольшому противодавлению и одновременно еще меньшему весу.

Металлический нейтрализатор имел в свое время и эффективный турбодвигатель Opel Calibra; он даже предполагался в те времена для крупносерийного производства. Из металла были также изготовлены предварительные нейтрализаторы 2,7-литровых Biturbo Audi. Так как и в этой сфере играет свою роль стоимостной фактор, то сегодня чаще всего можно встретить еще и распространенные керамические нейтрализаторы.

Другая проблема, связанная с нейтрализаторами, сравнима с квадратурой круга: нейтрализатор должен быть расположен поближе к головке цилиндра и его пусковая температура свыше 300° С должна быть достигнута как можно раньше. Естественно, что у турбодвигателей это возможно не без особых затруднений, так как турбина находится спереди (и здесь имеет место существенное преимущество механического наддува). И еще у нейтрализатора появилась одна проблема: турбонагнетатель, который живет за счет спада температуры, съедает существенную часть тепла отработавших газов для работы турбины, и для нейтрализатора по существу ничего не остается.

Чтобы решить эту проблему, производители турбодвигателей могут использовать несколько возможностей. Одна из них: нейтрализаторы размещаются как можно ближе к турбине; Porsche даже встроил в своих 968 «S» и «RS» турбодвигателях в 1993 году собственные нейтрализаторы после перепускного канала. Обычно перепускной поток «без обработки» подводится к основному нейтрализатору. И все-таки такой отдельный нейтрализатор для перепускного канала до сих пор остается единственным в своем роде.

В 944 Turbo в 1985 году было реализовано еще одно свойство, которое сегодня можно очень хорошо использовать равным образом и для раннего запуска процесса нейтрализации катализаторов: в выпускных каналах двигателя были размещены так называемые керамические Portliner (где они, однако, были предназначены не для обслуживания нейтрализатора, поскольку в 1985 году они еще не стали необходимостью. Portliner были предназначены скорее для предотвращения выхода находящегося в канале тепла наружу к головке цилиндра, чтобы не нагружать систему охлаждения двигателя). Обусловленная этим высокая температура отработавших газов приводила к лучшему характеру срабатывания турбины. Porsche перенял эту идею и реализовал в своем Biturbo, причем помимо преимущества лучшего характера срабатывания турбины и нейтрализаторы уже весьма рано почувствовали для себя драгоценное тепло. Audi остановился для своего Biturbo на более дорогостоящей альтернативе выпускного коллектора с изолированными воздушными зазорами, который делал двойные выдохи. При этом вместо обычного ранее распространенного тяжелого чугунного литого коллектора появилась стальная конструкция (что, кроме того, привело с собой и преимущества в весе), которая функционировала по принципу «Thermoskannen». Метод, который использует воздух в качестве изолятора, чаще можно было встретить у двигателей без наддува в форме коллекторов с изолированными воздушными зазорами. Аналогичный коллектор также появился и у дизельных двигателей: Audi встроил его в свой V6 TDI, чтобы далее оптимизировать характер срабатывания турбины. Как очень толковая, представлялась в этом отношении и конструкция «целостного турбонагнетателя», которую впервые реализовал Opel в 2,0-литровом четырех -цилиндровом двигателе Calibra. В этой концепции и нейтрализатор, естественно, продвинулся немного выше, в направлении головки цилиндра.

Audi 100 двигатель без наддува, 100 кВт/1 36 л.с.	Диаметр трубопровода 50 мм Площадь поперечного сечения 1 962 мм2
Audi 1 00 Turbo, 1 25 кВт/1 70 л.с.	Диаметр трубопровода 60 мм Площадь поперечного сечения 2826 мм2
Audi 100 Quattro, 147 кВт/200 л.с.	Диаметр трубопровода 70 мм Площадь поперечного сечения 3846 мм2

В концепции системы выпуска следует по возможности отказаться от изгибаний или запутанной укладки трубопроводов. «Аккуратная» прокладка трубопроводов с короткими путями имеет наивысшее значение, особенно для коэффициента полезного действия турбины.

Весьма устрашающим примером этого является Porsche 944 Turbo, что уже было отмечено в главе, посвященной оптимальному турбодвигателю. Естественно, и в системах выпуска условия компоновки играют большую роль. И здесь, чтобы реализовать концепцию Biturbo, совершаются просто чудеса.

Турбонагнетатель в подробностях.

Требования к турбонагнетателям в течение прошедших лет постоянно изменялись. Если первое поколение предназначалось в основном для выработки дополнительной мощности, то сегодня турбонагнетатель служит в равной степени и улучшению эксплуатации двигателя. Они используются также и из экологических соображений - например, в дизельных двигателях для снижения выбросов частиц. Кроме того, дизели в результате использования турбонаддува приобрели и низкий удельный расход топлива по сравнению со своими собратьями без наддува.

Бензиновые двигатели также благодаря турбонаддуву добились своего наилучшего баланса расхода. Так называемые двигатели крутящего момента позволили себе «ленивый» режим управления при высоких передачах и ограниченной номинальной частоте вращения, и как следствие - меньше трения. В принципе повышается и механический коэффициент полезного действия от использования наддува в двигателях с малым рабочим объемом.

Естественно, что можно было бы и не рассматривать отдельно турбонагнетатель; в вышеупомянутых концепциях основную роль, разумеется, играют окружение двигателя, конструкция двигателя и его технические параметры, использование современных производительных электронных систем (например, систем регулирования давления наддува, управления детонацией), а также модернизация систем обогащения газовой смеси у бензиновых и прежде всего у дизельных двигателей. Без этого турбонагнетатель вообще не смог продемонстрировать в полной мере свои возможности.

Но тем не менее все-таки обратим свой взор к турбонагнетателю. «Голый» нагнетатель тоже шел собственным длинным путем к своим достоинствам (смотрите таблицу).