Управление отработавшим газом в турбокомпрессоре (стр. 4 из 5)

Технические параметры	1 поколение	2 поколение	3 поколение	4 поколение
Диаметр колеса компрессора	60,5 мм	50 мм	45 мм	45 мм
КПД компрессора	0,72	0,72	0,75	0,74
Полезная ширина карты характеристик	60%	75%	79%	79%
Максимальный расход	100%	130%	140%	140%
Вес	7,8 кг	4,7 кг	3,5 кг	5 кг (VTG)
Момент инерции ротора	100%	45%	30%	25%

Источник: ККК

Исследование, выполненное ККК (в частности, «Turboladerfirma 3K Warner Turbo-System»), проведено на примере 1-литрового дизельного двигателя мощностью 51 кВт/70 л.с. Особенно четко проявляется прогресс в технологии турбонаддува, если задуматься над тем, что приведенный в таблице 45-миллиметровый нагнетатель четвертого поколения нашел применение и в более сильном двигателе (81 квт/11 0 л.с).

Но современный турбонагнетатель должен быть совершенно другой машиной не только благодаря своим характеристикам. Он обязан также подчиняться все возрастающему аспекту комфорта водителя. То, что предназначено для гармоничного развития сил и мощности, должно относиться также и к параметрам шумов автомобиля с наддувом.

Сегодня развитие турбонагнетателя идет значительно шире, и не только в виде некоего дополнительного компонента, привнесенного в двигатель. Чтобы вся концепция считалась обоснованной, следует учитывать и поведение турбонагнетателя сточки зрения акустики. Соответствующие требования в этом отношении к первому поколению турбонагнетателей не предъявлялись. У второго поколения добавились затем заданные параметры рабочей балансировки. Третье поколение помимо балансировки обнаружило еще и проблемы с пульсацией. И, наконец, четвертое поколение включило весь объем сервисных услуг производителей турбонагнетателей и дополнительно дорогостоящие испытания, на основе которых анализируют акустические свойства турбонагнетателя, рассчитывают их по заданным параметрам двигателепроизводителей и при необходимости корректируют.

К числу важнейших аспектов разработки турбонагнетателей относится и задача снижения момента инерции масс. С ним связан и также понижается параметр срабатывания при низких частотах вращения и нестационарном режиме эксплуатации. Непосредственно разработки в этом направлении были и до сих пор остаются самыми трудными, так как они предполагают более глубокое вмешательство в термодинамику и в эксплуатационные свойства нагнетателя, чем это можно было ожидать.

И это не значит сделать так, что просто у существующего нагнетателя уменьшить диаметр колеса. Требование, чтобы малый нагнетатель современного поколения по меньшей мере удовлетворял тем же параметрам производительности, что и крупный нагнетатель предыдущего поколения, и чтобы малый нагнетатель удовлетворил тот же мотор и с той же пропускной способностью при по меньшей мере одинаковом, а лучше большем коэффициенте полезного действия, что и его великовозрастный пандан, в большей мере обуславливается использованием «ноу-хау» и длительной опытно-конструкторской работой.

Добавляется и физическая закономерность: с уменьшением размера нагнетателя понижается и коэффициент полезного действия за счет потерь в зазорах. Поэтому требования к современному турбонагнетателю сравнимы с решением знаменитой задачи древности о построении квадрата, равновеликого данному кругу.

Важнейшим объектом дальнейших разработок должна стать задача установки роторов, которая предусматривает интеграцию упорного подшипника в радиальном положении. Это сокращает не только количество деталей, но и минимизирует затраты, связанные с трением. Дополнительно это сулит и улучшенный характер балансировки, что также влияет на акустические свойства турбонагнетателя.

Наддув на заказ

Половина забот оплачивается за счет нанимателя турбонагнетателя. Если двигатель должен сегодня одновременно исполнять нормативные требования в отношении температурного режима, хорошей подвижности, комфорта езды и не в последнюю очередь экономности, то нагнетатель должен быть строго согласован с двигателем. Он должен ему подходить, как сшитый на заказ костюм, а не должен быть или слишком мал, или слишком велик. Нагнетатель и двигатель должны вступить в гармоничный союз; и при этом только в том отношении, что непосредственно лопаточная машина, а именно нагнетатель и «паровая машина», а именно, двигатель внутреннего сгорания на основе своих противоположных рабочих характеристик вступают скорее в «свободный брак», а это, несомненно, представляет собой одну из сложных задач.

Согласование нагнетателя с двигателем может продолжаться месяцами. В процессе бесчисленного количества тестовых часов, проведенных на испытательных стендах и в автомобилях, после длительного процесса взаимной подгонки и настройки рождается оптимальный нагнетатель.

Требования к современному нагнетателю.

При разработке колес турбин и компрессоров следует руководствоваться требованиями со стороны покупателей и со стороны пользователей (легковые и грузовые автомобили, корабли, стационарные сооружения). Для проектно-конструкторских работ по созданию нужного конечного продукта имеется набор следующих критериев:

1. Ширина карты характеристик, положение насосных и запорных границ.

2. Максимальная степень сжатия при определенной окружной скорости (важен для грузовых автомобилей).

3. Максимальный коэффициент полезного действия и положение «раковины» КПД.

4. Срок эксплуатации (прочность, также с учетом стоимостных затрат).

5. Диаметр и связанный с ним момент инерции колеса. Внимание: момент инерции идет с коэффициентом «пять» относительно диаметра колеса.

6. Размеры корпуса.

Для приложений в секторе легковых автомобилей особенно важны такие критерии как характер нестационарности и аспект управляемости двигателя. Это означает, что нагнетатель с низких частот вращения обязан предоставлять высокое давление наддува и должен срабатывать, по возможности, без задержек в условиях постоянно меняющегося диапазона нагрузки. Именно эти задачи входят в противоречие с характером газотурбонагнетателя и долгое время оказывали отрицательное влияние посредством много раз упоминаемой «турбоямы».

Но современные технологии и постоянно развивающиеся в последние годы «ноу-хау» производителей нагнетателей уменьшили эффект «турбоямы» до едва заметного минимума. И в значительной мере этому способствовала верная комбинация аппаратного и программного обеспечения, то есть оптимальный нагнетатель и регулирование давления наддува.

Сшитый на заказ турбонагнетатель.

Нагнетатель на заказ возникает в результате тесного сотрудничества («simultaneous engineering») с пользователями. Некоторые производители имеют четкую классификацию нагнетателей по классам и размерам для конкретного применения - для двигателей грузовых, легковых автомобилей, судов или стационарных установок.

За исключением корпуса нагнетателя, который всегда остается постоянным, имеются в разных конструктивных рядах для соответствующих сфер приложений и внутри одного конструктивного ряда другие возможности варьирования; турбонагнетатель для дизельного двигателя легкового автомобиля с мощностью 66 кВт/90 л.с. может у VW выглядеть совершенно иначе, чем у Renault или BMW, и сам нагнетатель, например, для одного и того же VW-двигателя может быть тоже различным внутри палитры VW-автомобилей.

Разумеется, при массовом производстве турбонагнетателей играет роль не только пара «колесо - корпус», но и выбор соответствующих диаметров колес компрессора и турбины. Эти диаметры не одинаковы; как правило, колеса турбин

всегда несколько меньше по диаметру, чем колеса компрессоров. Такое положение связано прежде всего с эксплуатационными свойствами и коэффициентом полезного действия колес компрессора и турбины. Здесь справедливо условие: чем меньше турбина, тем меньше инерция масс колеса и тем меньше энергии необходимо применить для преодоления скачка частоты вращения. Теперь что касается компрессора: чем больше компрессор, тем меньше зазор между днищем поршня и головкой блока цилиндров (это относится, разумеется, и к турбине), тем лучше коэффициент полезного действия и объем потока. Отклонения в размерах колес друг от друга составляют, правда, всего несколько процентов.

Конструктивная программа постоянно дополняется снизу (новый КР - конструктивный ряд), чтобы в будущем можно было оптимально обслуживать и мини-двигатели.

ККК-нагнетателем конструктивного ряда (К 24), который по современным меркам необычайно велик, был оснащен двигатель Audi S2. Аналогичный нагнетатель, но с большей турбиной и более крупным компрессором для высокого расхода применялся в Avant RS2, базирующемся на пятицилиндровом двигателе Audi и используемом Porsche. Здесь еще раз подтверждается правило, что в принципе один и тот же нагнетатель может породить совершенно различный характер мощности.