Большая Энциклопедия Нефти и Газа

Большая Энциклопедия Нефти и Газа

Форсирование — тяга

Форсирование тяги повышением числа оборотов ротора дает возможность кратковременно увеличить тягу двигателя на 15 — 20 % и более. С этой целью у ряда двигателей предусмотрено введение чрезвычайного р е ж и — м а, работа на котором допустима в исключительных ( аварийных) случаях в течение 2 — 3 мин. Такой способ форсирования тяги приводит к увеличению ( пропорционально квадрату числа оборотов) напряжений в деталях ротора, а также температуры T s, что существенно снижает прочность этих деталей и главным образом рабочих лопаток турбины. В связи с этим в ряде случаев предусматривается прекращение дальнейшей эксплуатации двигателей, работавших на чрезвычайном режиме. [1]

Форсирование тяги ГТД применяется при взлете для сокращения длины разбега самолета, увеличения скороподъемности и потолка самолета, а также максимальной скорости полета. [2]

Форсированием тяги называют кратковременное увеличение тяги двигателя по сравнению с ее величиной, соответствующей максимальному режиму. [3]

Для форсирования тяги турбовинтовых двигателей используют впрыск воды в компрессор. ТРД ( ДТРД), однако он менее эффективен, чем дополнительное сжигание топлива за турбиной. [4]

Существуют следующие способы форсирования тяги ГТД . [5]

Одним из способов форсирования тяги газотурбинных реактивных двигателей ( ГТРД) является впрыск жидкости, обычно воды, в поступающий к компрессору поток воздуха. В процессе сжатия жидкость испаряется, на что затрачивается тепло, отнимаемое от воздуха, и температура воздуха снижается. [6]

Часто режим с форсированием тяги путем сжигания топлива за турбиной называют форсажным режимом или просто форсажом. [7]

В ДТРД может быть предусмотрено форсирование тяги в обоих контурах путем сжигания дополнительного топлива за турбиной и вентилятором по принципу, аналогичному рассмотренному выше в схеме ТРДФ. [9]

В практике эксплуатации авиационных ГТУ для форсирования тяги впрыск в поток воздуха на входе в компрессор применяется довольно часто [26, 27, 47], но при сравнительно небольших степенях сжатия ( 7 — 12), при которых эффект впрыска воды все же невелик. Процесс сжатия влажного газа применяется также и в компрессорах холодильных машин. [10]

Из рис. 114 следует, что наиболее эффективным средством форсирования тяги ГТД является подача этилового спирта во входное устройство компрессора, а наименее эффективным — подача воды. [11]

Для ДТРД и ДТРДФ со смешением упрощается система реверсирования и форсирования тяги . Двух-контурные двигатели со смешением потоков обладают важным достоинством — существованием одного реактивного сопла, которое можно регулировать с помощью известных конструктивных решений, что особенно важно для ДТРДФ. Кроме того, в таких двигателях можно использовать вентилятор с пониженной по сравнению с тс е t степенью повышения давления, что упрощает задачу создания и снижает массу ротора турбовентилятора. [13]

Наряду с основными режимами для ГТД приняты режимы работы с форсированием тяги . [14]

В связи с применением впрыска охлаждающих жидкостей ( воды, спирта, аммиака) для форсирования тяги воздушнореактивных двигателей ( ВРД) возникла необходимость в методике расчета испарительного охлаждения воздуха в компрессоре ВРД. [15]

Анализ основных схем наддува судовых ДВС

На выбор схемы наддува оказывает влияние тип двигателя, уровень его форсировки, тип используемого турбонагнетателя, традиции дизелестроительных фирм. При выборе той или иной схемы стремятся удовлетворить ряд требований:

1. Обеспечить достаточное воздухоснабжение двигателя на всех эксплуатационных режимах его работы (при пуске, разгоне, на маневрах, при волнении моря) и в аварийных ситуациях;
2. Обеспечить эффективное использование энергии газов — получить максимальную мощность турбины и максимальный кпд компрессора на основных эксплуатационных режимах работы;
3. Работа компрессора должна быть устойчивой в отношении помпажа срыва потока воздуха, вызывающего вибрацию рабочего колеса, корпуса ГТН, шум и ряд других отрицательных явлений;
4. Система наддува не должна быть излишне сложной по конструкции и в эксплуатации, должна предусматривать возможность корректировки характеристик турбокомпрессора и двигателя в процессе доводки на стенде и в эксплуатационных условиях.

На рис. 1 даны шесть основных схем наддува, применяемых в судовых ДВС.

Схема одноступенчатого чисто газотурбинного наддува с импульсной турбиной и холодильником воздуха (рис. 1, А) получила большое распространение в 4-тактных дизелях и в 2-тактных двигателях с прямоточными системами продувки (Бурмейстер и Вайн, Докс- форд, Сторк). Как правило, рядные 4-тактные дизели оснащаются одним ГТН, V-образные двумя ГТН. В 2-тактных двигателях устанавливается несколько нагнетателей на агрегат (один нагнетатель на 2-4 цилиндра). Схема отличается эффективностью использования энергии газов, простотой, устойчивостью работы на всех эксплуатационных режимах, достаточным воздухоснабжением, однако сравнительно трудоемка в настройке, не позволяет корректировать характеристики в эксплуатации. При выходе из строя газотурбонагнетателя воздухоснабжение 4-тактного дизеля обеспечивается всасывающим ходом поршня; в 2-тактном двигателе работой оставшихся исправных нагнетателей или автономной воздуходувкой. Во всех случаях мощность двигателя снижается.

Разновидностью схемы “А” является использование ГТН с наддувом при P = const . Такое решение, обладая всеми перечисленными выше достоинствами, позволяет уменьшить количество турбонагнетателей на 2-тактном двигателе. Схема более эффективна при высоких степенях наддува, однако при снижении нагрузки ниже 25-30 % требует применения в 2-тактных ДВС автономного нагнетателя воздуха. В большинстве случаев это — электрический компрессор с автоматическим запуском.

Схема 2-ступенчатого чисто газотурбинного последовательного наддува (рис. 1, Б) состоит из двух турбокомпрессоров Влияние эксплуатационных факторов на работу турбокомпрессора и двигателя и предусматривает охлаждение воздуха после каждой ступени наддува. Как правило, первая турбина по ходу газов импульсная, вторая турбина — постоянного давления. Схема удовлетворяет требованиям эффективности использования энергии газов, обеспечивает большие расходы воздуха по сравнению с 1-ступенчатой схемой при повышенных уровнях форсировки и прочих равных условиях, устойчива в отношении помпажа. Схема прошла опытную проверку на двигателях Бурмейстер и Вайн типа К 98FF, Сторк типа SW, Зульцер RND 105, MAH 4V 38/40 и др., однако пока не получила широкого распространения из-за своей сложности и трудности настройки системы на всем диапазоне эксплуатационных режимов работы двигателя. Схема применялась на серийно выпускавшихся двигателях Митсубиси тип ИЕС-Е, двигателях 20ЧН26/26 Коломенского тепловозостроительного завода.

Схема 2-ступенчатого последовательного комбинированного наддува (рис. 1, В) включает в себя газотурбонагнетатели постоянного давления в качестве 1-ой ступени наддува и механического нагнетателя с приводом от коленчатого вала в качестве 2-ой ступени наддува. Как правило, механические нагнетатели — поршневого типа, с автоматическими клапанами. Схема применялась на двигателях фирм Гетаверкен, GMT (Фиат) и на отечественных двигателях завода им. Малышева. Как и все прочие системы последовательного комбинированного наддува, схема весьма устойчива в отношении помпажа на всех режимах эксплуатации, надежна, однако по эффективности использования энергии выпускных газов уступает системам чистого ГТН с импульсными турбинами.

Рис. 1 Основные схемы наддува судовых ДВС

• А — одноступенчатый и Б — двухступенчатый чистый газотурбинный наддув;
• В, Г, Д — последовательный комбинированный и Е — параллельный комбинированный наддув.

Схема 2-ступенчатого последовательного комбинированного наддува с импульсными газовыми турбинами, подпоршневыми полостями в качестве II-й ступени и индивидуальными ресиверами II-й ступени на каждый цилиндр изображена на рис. 1, Г. Такая схема применена на двигателях Зульцер типа RD, широко использовавшихся на отечественном флоте. Конструкция укороченного поршня и желание уменьшить потерю заряда на IV-й фазе газообмена потребовали установки на выпуске управляющих заслонок, предотвращающих перетекание воздуха в выпускной коллектор при нахождении поршня в верхней части цилиндра.

В момент открытия выпускных окон поршень сжимает воздух во II-й ступени до давления P = (1,30 – 1.35) РК , что предотвращает заброс газов, интенсифицирует продувку цилиндра. После НМТ воздух подается непосредственно из ресивера I-й ступени в ресивер II-й ступени (без сжатия в подпоршневой полости Обслуживание системы продувания подпоршневых полостей ). Поэтому параметры в точке “а” цикла определяются давлением и температурой в продувочном ресивере I-й ступени.

По эффективности и устойчивости в отношении помпажа система примерно равноценна схеме “В”, однако конструкция II-й ступени у нее проще, поскольку нет необходимости в специальном насосе. Недостатками схемы является снижение эффективности II-й ступени при увеличении нагрузки двигателя (на режиме полного хода в двигателях в подпоршневой полости сжимается лишь часть воздуха — порядка 50 % по объему и 75 % по весу, а также наличие такого ненадежного узла, как заслонка на выпуске.

Указанных недостатков лишена схема с турбиной постоянного давления, примененная фирмой Зульцер в двигателях серии RND и последующих модификациях малооборотных машин (рис. 1, Д). В этой схеме применен удлиненный поршень, перекрывающий выпускные окна при нахождении в ВМТ, что позволило отказаться от заслонок (правда, это не-сколько увеличило потерю заряда).

Эффективность использования II-й ступени повышена применением байпассируемого подвода воздуха через автоматически управляемые клапаны из ресивера I-й ступени непосредственно в местные ресиверы цилиндров II-й ступени, минуя подпоршневые полости. Сжимаемый в подпоршневой полости воздух предотвращает заброс газов, участвует в продувке и способствует балансировке мощности турбины и компрессора. Фирма МАН применяла аналогичную схему с импульсной газовой турбиной (при последовательно-параллельном комбинированном наддуве в двигателях KZ).

Система параллельного комбинированного наддува (рис. 1, Е) применялась фирмой МАН с турбиной импульсного типа. Схема имеет высокие энергоэкономические показатели. По опытным данным, она обеспечивает лучшее воздухоснабжение, чем последовательные схемы. Ее недостаток — компрессор неминуемо попадает в помпажный режим при снижении нагрузки двигателя (о причинах этого пойдет речь при анализе характеристик наддува).

Достоинства системы параллельного комбинированного наддува по части воздухоснабжения послужили причиной объединения схем параллельного и последовательного наддува в одном агрегате. Часть подпоршневых полостей работает параллельно (не более 1/2), часть — последовательно. Такое объединение позволяет обеспечить устойчивую работу компрессоров на всех режимах и улучшить воздухоснабжение по сравнению с последовательными схемами. Параллельно работающие подпоршневые полости подают до 15-20 % воздуха. Схема применялась во всех дизелях МАН серии KZ.

Оптимальным вариантом комбинированного наддува следует признать вариант, когда на полном ходу все подпоршневые полости работают параллельно, на малых ходах последовательно. Такая схема улучшает воздухоснабжение и в то же время устраняет помпаж. Она прошла опытную проверку в двигателях МАН, однако в серийных двигателях не налила применения.

В 70-80-е годы наиболее перспективной признавалась схема 2-ступенчатого последовательного чисто газотурбинного наддува. Расчеты показывали, что такая схема становится эффективной при P_е = 18-19 кг/см 2 в 4-тактных ДВС и P_е = 13-14 кг/см 2 — в 2-тактных ДВС. Тем не менее, сегодняшний уровень форсировки судовых дизелей ( P_е = 17-19 бар в 2-тактных и P_е = 24- 26 бар в 4-тактных ДВС) повсеместно обеспечивается в 1-ступенчатом газотурбинном наддуве. Такое решение оказалось возможным благодаря успехам промышленности в создании новых высокоэкономичных агрегатов газотурбинного наддува. Возможно, что дальнейшая форсировка двигателей погребут схемы с использованием 2 ступеней газотурбинного наддува.

Нашли опечатку? Выделите и нажмите CTRL+Enter

Что такое турбонаддув

Такая вот небольшая с виду «улитка» — один из самых действенных способов увеличить мощность двигателя.

Несомненно, каждый из нас хоть раз в жизни замечал на обычном с виду автомобиле шильдик «turbo». Производители, как нарочно, делают эти шильдики небольшого размера и размещают в неприметных местах так, что непосвящённый прохожий не заметит и пройдёт мимо. А понимающий человек непременно остановится и заинтересуется автомобилем. Ниже приводится рассказ о причинах такого поведения.

Автомобильные конструкторы (с момента появления на свете этой профессии) постоянно озабочены проблемой повышения мощности моторов. Законы физики гласят, что мощность двигателя напрямую зависит от количества сжигаемого топлива за один рабочий цикл. Чем больше топлива мы сжигаем, тем больше мощность. И, скажем, захотелось нам увеличить «поголовье лошадей» под капотом — как это сделать? нас и поджидают проблемы.

Дело в том, что для горения топлива необходим кислород. Так что в цилиндрах сгорает не топливо, а топливно-воздушная смесь. Мешать топливо с воздухом нужно не на глазок, а в определённом соотношении. К примеру, для бензиновых двигателей на одну часть топлива полагается частей воздуха — в зависимости от режима работы, состава горючего и прочих факторов.

Как мы видим, воздуха требуется весьма много. Если мы увеличим подачу топлива (это не проблема), нам также придётся значительно увеличить и подачу воздуха. Обычные двигатели засасывают его самостоятельно разницы давлений в цилиндре и в атмосфере. Зависимость получается прямая — чем больше объём цилиндра, тем больше кислорода в него попадёт на каждом цикле. Так и поступали американцы, выпуская огромные двигатели с умопомрачительным расходом горючего. А есть ли способ загнать в тот же объём больше воздуха?

Есть, и впервые придумал его господин Готтлиб Вильгельм Даймлер (Gottlieb Wilhelm Daimler). Знакомая фамилия? Ещё бы, именно она используется в названии DaimlerChrysler. Так вот, этот немец весьма неплохо соображал в моторах и ещё в 1885 году придумал, как загнать в них больше воздуха. Он догадался закачивать воздух в цилиндры с помощью нагнетателя, представлявшего собой вентилятор (компрессор), который получал вращение непосредственно от вала двигателя и загонял в цилиндры сжатый воздух.

Швейцарский инженер-изобретатель Альфред Бюхи (Alfred J. Büchi) пошёл ещё дальше. Он заведовал разработкой дизельных двигателей в компании Sulzer Brothers, и ему категорически не нравилось, что моторы были большими и тяжёлыми, а мощности развивали мало. Отнимать энергию у «движка», чтобы вращать приводной компрессор, ему также не хотелось. Поэтому в 1905 году господин Бюхи запатентовал первое в мире устройство нагнетания, которое использовало в качестве движителя энергию выхлопных газов. Проще говоря, он придумал турбонаддув.

Идея умного швейцарца проста, как всё гениальное. Как ветра вращают крылья мельницы, также и отработавшие газы крутят колесо с лопатками. Разница только в том, что колесо это очень маленькое, а лопаток очень много. Колесо с лопатками называется ротором турбины и посажено на один вал с колесом компрессора. Так что условно турбонагнетатель можно разделить на две части — ротор и компрессор. Ротор получает вращение от выхлопных газов, а соединённый с ним компрессор, работая в качестве «вентилятора», нагнетает дополнительный воздух в цилиндры. Вся эта мудрёная конструкция и называется турбокомпрессор (от латинских слов turbo — вихрь и compressio — сжатие) или турбонагнетатель.

В турбомоторе воздух, который попадает в цилиндры, часто приходится дополнительно охлаждать — тогда его давление можно будет сделать выше, загнав в цилиндр больше кислорода. Ведь сжать холодный воздух (уже в цилиндре ДВС) легче, чем горячий.

Воздух, проходящий через турбину, нагревается от сжатия, а также от деталей турбонаддува, разогретого выхлопными газами. Подаваемый в двигатель воздух охлаждают при помощи так называемого интеркулера (промежуточный охладитель). Это радиатор, установленный на пути воздуха от компрессора к цилиндрам мотора. Проходя через него, он отдаёт своё тепло атмосфере. А холодный воздух более плотный — значит, его можно загнать в цилиндр ещё больше.

Чем больше выхлопных газов попадает в турбину, тем быстрее она вращается и тем больше дополнительного воздуха поступает в цилиндры, тем выше мощность. Эффективность этого решения по сравнению, например, с приводным нагнетателем в том, что на «самообслуживание» наддува тратится совсем немного энергии двигателя — всего 1,5%. Дело в том, что ротор турбины получает энергию от выхлопных газов не за счёт их замедления, а за счёт их охлаждения — после турбины выхлопные газы идут быстро, но более холодные. Кроме того, затрачиваемая на сжатие воздуха даровая энергия повышает КПД двигателя. Да и возможность снять с меньшего рабочего объёма большую мощность означает меньшие потери на трение, меньший вес двигателя (и машины в целом). Всё это делает автомобили с турбонаддувом более экономичными в сравнении с их атмосферными собратьями равной мощности. Казалось бы, вот оно, счастье. Ан нет, не всё так просто. Проблемы только начались.

, скорость вращения турбины может достигать 200 тысяч оборотов в минуту, , температура раскалённых газов достигает, только попробуйте представить, 1000°C! Что всё это означает? То, что сделать турбонаддув, который сможет выдержать такие неслабые нагрузки длительное время, весьма дорого и непросто.

По этим причинам турбонаддув получил широкое распространение только во время Второй мировой войны, да и то только в авиации. В годах американская компания Caterpillar сумела приспособить его к своим тракторам, а умельцы из Cummins сконструировали первые турбодизели для своих грузовиков. На серийных легковых машинах турбомоторы появились и того позже. Случилось это в 1962 году, когда почти одновременно увидели свет Oldsmobile Jetfire и Chevrolet Corvair Monza.

Но сложность и дороговизна конструкции — не единственные недостатки. Дело в том, что эффективность работы турбины сильно зависит от оборотов двигателя. На малых оборотах выхлопных газов немного, ротор раскрутился слабо, и компрессор почти не задувает в цилиндры дополнительный воздух. Поэтому бывает, что до трёх тысяч оборотов в минуту мотор совсем не тянет, и только потом, тысяч после четырёх-пяти, «выстреливает». Эта ложка дёгтя называется турбоямой. Причём чем больше турбина, тем она дольше будет раскручиваться. Поэтому моторы с очень высокой удельной мощностью и турбинами высокого давления, как правило, страдают турбоямой в первую очередь. А вот у турбин, создающих низкое давление, никаких провалов тяги почти нет, но и мощность они поднимают не очень сильно.

Почти избавиться от турбоямы помогает схема с последовательным наддувом, когда на малых оборотах двигателя работает небольшой малоинерционный турбокомпрессор, увеличивая тягу на «низах», а второй, побольше, включается на высоких оборотах с ростом давления на выпуске. В прошлом веке последовательный наддув использовался на суперкаре Porsche 959, а сегодня по такой схеме устроены, например, турбодизели фирм BMW и Land Rover. В бензиновых двигателях Volkswagen роль маленького «заводилы» играет приводной нагнетатель.

На рядных двигателях зачастую используется одиночный турбокомпрессор (пара «улиток») с двойным рабочим аппаратом. Каждая из «улиток» наполняется выхлопными газами от разных групп цилиндров. Но при этом обе подают газы на одну турбину, эффективно раскручивая её и на малых, и на больших оборотах

Но чаще по-прежнему встречается пара одинаковых турбокомпрессоров, параллельно обслуживающих отдельные группы цилиндров. Типичная схема для турбомоторов, где у каждого блока свой нагнетатель. Хотя двигатель V8 фирмы M GmbH, дебютировавший на автомобилях BMW X5 M и X6 M, оснащён перекрёстным выпускным коллектором, который позволяет компрессору получать выхлопные газы из цилиндров разных блоков, работающих в противофазе.

Заставить турбокомпрессор работать эффективнее во всём диапазоне оборотов, можно ещё изменяя геометрию рабочей части. В зависимости от оборотов внутри «улитки» поворачиваются специальные лопатки и варьируется форма сопла. В результате получается «супертурбина», хорошо работающая во всём диапазоне оборотов. Идеи эти витали в воздухе не один десяток лет, но реализовать их удалось относительно недавно. Причём сначала турбины с изменяемой геометрией появились на дизельных двигателях, благо, температура газов там значительно меньше. А из бензиновых автомобилей первый примерил такую турбину Porsche 911 Turbo.

Конструкцию турбомоторов довели до ума уже давно, а в последнее время их популярность резко возросла. Причём турбокомпрессоры оказалось перспективным не только в смысле форсирования моторов, но и с точки зрения повышения экономичности и чистоты выхлопа. Особенно актуально это для дизельных двигателей. Редкий дизель сегодня не несёт приставки «турбо». Ну а установка турбины на бензиновые моторы позволяет превратить обычный с виду автомобиль в настоящую «зажигалку». Ту самую, с маленьким, едва заметным шильдиком «turbo».

Мощный и экономичный. Почему так привлекает столетняя идея турбонаддува двигателей?

Принцип работы ДВС не изменялся со времен его изобретения. Он постоянно совершенствовался, но рабочий процесс оставался тот же. Так, например, двигатель легендарного Ford-T имел рабочий объем 2,9 литра и развивал мощность 20 л.с. Сегодня из аналогичного двигателя производители получают в 10 раз больше мощности. Однако, за столетие доработок, стало понятно – при существующей классической конструкции достигнут максимум литровой мощности.

Получение высоких показателей современных двигателей стало возможным благодаря применению наряду с микропроцессорной системой коррекции подачи топлива и совершенствованию смесеобразования применению регулируемого турбонаддува. Как к этому пришли?

Конструкторы решают задачи прежде всего повышения мощности ДВС. Это достаточно просто решить путем увеличением количества сгораемого топлива. Но статистика информирует, что на современном уровне развития техники затраты на эксплуатацию автомобиля составляют 31,7% от всех расходов. Причем более 60% расходов на эксплуатацию составляют расходы на нефтепродукты.

Способы повышения мощности двигателя

Не вникая в подробности теории ДВС, следует отметить, что мощность поршневого двигателя определяется его рабочим объемом (числом цилиндров), частотой вращения коленчатого вала и средним эффективным давлением в цилиндрах.

Увеличение мощности путем увеличения частоты вращения коленчатого вала проблематично вследствие ухудшения наполнения цилиндров свежим зарядом и стремительным возрастанием нагрузок от действия центробежных и инерционных сил (особенно на двигателях с большим рабочим объемом).

Больше мощность – выше экономичность

Конструкторы работают в направлении чтоб не просто повысить мощность двигателя, а при существующей размерности цилиндров получить в них большую литровую мощность (мощность на единицу рабочего объема), то есть форсировать двигатель. Для форсирования двигателя существует много способов, но наиболее действенным является форсирование по наддуву.

Дело в том, что впуск свежей смеси в цилиндры ДВС происходит под действием разряжения, создаваемого при движении поршня к НМТ. Таким образом, в конце впуска давление в цилиндре «атмосферного» двигателя без наддува всегда будет меньше атмосферного. Соответственно, поскольку в зависимости от массы поступившего воздуха определяется количество впрыскиваемого топлива, мощность ДВС будет недостаточно высокой.

Чтобы повысить мощность, необходимо увеличить не только подачу топлива, а и соответствующую массу воздуха.

18 столетие – назад в будущее

Идея повышения наполнения цилиндров ДВС не новая. Она такая же старая, как и история самих двигателей внутреннего сгорания: оба «прародителя» современных двигателей, Г. Даймлер и Р. Дизель, выразительно представляли, что предварительное сжатие воздуха, который поступает в цилиндры, позволяет получить прибавку мощности. Более того, оба делали попытки применить наддув в конструкции своих двигателей.

Готтлиб Вильгельм Даймлер (Gottlieb Wilhelm Daimler) еще в 1885 году придумал, как подавать в двигатель больше воздуха. Идея умного швейцарца простая, как все гениальное. Как ветер вращает крылья мельницы, так и отработанные газы крутят колесо с лопатками. Разница только в том, что колесо это очень маленькое, а лопаток очень много.

Турбина получает вращение от выхлопных газов, а соединенный с ней компрессор, работая как «вентилятор», нагнетает дополнительный воздух в цилиндры.

Однако, при существующем к тому времени развитии науки и техники, создать совершенную конструкцию не удалось. И это надолго отдалило идею турбонаддува.

Не все так просто

Несмотря на воображаемую простоту самой идеи и конструкции газонаддува, создание работоспособных агрегатов турбонаддува вместе с устройствами регуляции на практике оказалось задачей непростой. Для ее решения были нужны глубокие теоретические и прикладные исследования, а также создание высокотехнологических производственных процессов. Это было связано с тем, что вал турбокомпрессора вращается с частотой свыше 100 000 мин-1. При этом температура крыльчатки турбины, которая взаимодействует с отработанными газами, близкая к 1000 °С, тогда как со стороны короткого вала, в зоне крыльчатки компрессора, она в пять раз меньше. Понятно, что даже обеспечение кратковременной работы такого устройства — проблема.

И все же проблемы турбонаддува на двигателях постепенно развязывались. Применять турбонаддув на серийных автомобильных двигателях начала немецкая компания BMW, выпустив в 1973 году модель BMW 2002 turbo. Учуяв выгодную технологию по стопам BMW пошли Porshe (911-я 1974 года) и Saab (Saab-99 1978 годы). А вскоре – и весь мир..

Установленные на них турбокомпрессоры обеспечивают при впускании небольшое (от 0,25 до 0,55 кгс/см2) избыточное давление. Благодаря этому крутящий момент двигателя достигает максимума уже при частоте вращения коленчатого вала 1600 — 1800 мин-1. Кроме того, они отличаются рекордной экономичностью и отвечают последним экологическим стандартам.

Прогресс турботехники привел к тому, что в настоящее время часть даже легковых автомобилей с турбонаддувними двигателями составляет приблизительно половину общего числа автомобилей в возрасте до 5 лет и продолжает увеличиваться. Из них порядка 20 % — бензиновые автомобили, другие — дизельные. Такое соотношение не случайно. Дизели существенно лучше приспособленные к наддуву вообще и к турбонаддуву в частности.

Цель оправдывает средства

Почему же в наши дни так привлекает двигателестроителей столетняя идея турбонаддува двигателей?

Двигатель, оборудованный турбокомпрессором имеет высокую удельную мощность и крутящий момент. Использование трубонаддува дает возможность достичь заданных характеристик силового агрегата (любой мощности) при меньших габаритах и массе, чем в случае применения «атмосферного» двигателя. Отсюда вытекает еще одно важное следствие: у турбодвигателя лучшая топливная экономичность. Ведь он более компактный и даже при одинаковой мощности с «атмосферным» двигателем, более эффективно расходует топливо. У него меньшая теплоотдача, насосные потери и относительные потери на трение. Экономии топлива способствует и более высокий крутящий момент, при низких частотах вращения коленчатого вала. Кроме того, у турбодвигателя лучшие экологические показатели. Меньшее потребление топлива «при других равных» означает меньшие суммарные выбросы вредных веществ.

Наддув также приводит к снижению температуры камеры сгорания и, соответственно, уменьшению образования окислов азота. В дизелях дополнительная подача воздуха позволяет сместить границу возникновения дымности, то есть более эффективно бороться с выбросами частиц сажи. Не было бы наддува, известные проблемы с применением на дизелях каталитических нейтрализаторов просто закрыли бы им дорогу в будущее. Дизели без наддува с трудом дотягивают к нормам «Евро-2».

Наконец, турбодвигатель способствует улучшению комфортабельности. Компрессор в магистрали впуска и турбина в выпускной системе существенно снижают шумность работы двигателя и обеспечивают акустический комфорт. Он дополняется удобством управления. Высокий, равномерно распределенный по частоте вращения крутящий момент добавляет двигателю большую эластичность.

Наддув + интеркуллер

Но при сжатии в компрессоре воздух нагревается, в результате чего его плотность уменьшается. Это приводит к тому, что в рабочем объеме цилиндра воздуха, а, следовательно, и кислорода, по массе становится меньше чем могло бы поместиться при отсутствии нагревания и, как результат, реальная мощность ниже расчетной и повышенный расход топлива. Чтоб создать условия для сгорания в цилиндрах большего количества топлива, принимают дополнительные меры для увеличения коэффициенту наполнения. С этой целью воздух, который сжимается в компрессоре, перед подачей в цилиндры двигателя охлаждается в интеркуллере, который стал неотъемлемой частью большинства двигателей с наддувом. Охлаждение надувочного воздуха в интеркуллере осуществляется путем обдувки его внешней ребристой поверхности воздушным потоком или за счет жидкостной системы охлаждения.

Приблизительные расчеты показывают, что понижение температуры наддувочного воздуха на 10° позволяет увеличить его плотность приблизительно на 3%. Это, в свою очередь, увеличивает мощность двигателя приблизительно на такой же процент, так что, например, охлаждение воздуха на 33° даст увеличение мощности приблизительно на 10%.

С другой стороны, охлаждение воздушного заряда приводит к понижению температуры в начале такта сжатия и позволяет реализовать ту же мощность двигателя при уменьшенной степени сжатия в цилиндре. Следствием этого является уменьшение температуры отработанных газов, что положительно отражается на уменьшении тепловой нагрузки деталей камеры сгорания.

Будущее наступает сегодня

На современных автомобилях, тракторах средней и большой мощности, а также других самоходных машинах, как правило, устанавливаются двигатели, оснащенные турбокомпрессорами. Именно, использование турбокомпрессоров обеспечивает их высокие технико-экономические показатели и уменьшает расход топлива на номинальных нагрузках в отличие от их безнаддувных аналогов.

В целом уменьшение степени сжатия, например у дизеля, до 15 и уменьшения размеров турбины улучшают типично слабые стороны двигателя с турбонаддувом, а именно: позволяют увеличить крутящий момент при низких частотах вращения коленчатого вала и сократить время выхода на новый режим работы при резком ускорении.

Ускорение повышения давления наддува при увеличении частоты вращения современного двигателя происходит в результате сравнительно малого момента инерции ротора турбокомпрессора, поскольку для наддува применяется турбокомпрессор малой размерности. В результате ускорения поступления воздуха в камеру сгорания при работе на переходных режимах обеспечивается хорошая приемистость двигателя и полнота сгорания топлива и, соответственно, уменьшается его расход.

Применяются регулируемые турбокомпрессоры типа WGТ в которых предусмотрены дополнительные конструктивные устройства для изменения скорости отработанных газов на входе в колесо газовой турбины. Они обеспечивают простоту регулировки давления наддува посредством клапана, перепуская часть отработанных газов, мимо турбины. Существуют и другие типы регулируемых турбокомпрессоров, в которых применяется изменение направления потока газов либо дополнительные клапаны в магистрали подачи воздуха. Но об этом отдельная статья.

Турбокомпрессоры с изменяемой геометрией (ТИГ) – тип турбокомпрессоров, характеризующийся возможностью изменения сечения на входе колеса турбины с целью оптимизации мощности турбины для заданной нагрузки. Это обусловлено тем, что оптимальное сечение при низких оборотах существенно отличается от оптимального сечения при высоких оборотах. Если сечение классического турбокомпрессора слишком большое, то на низких оборотах эффективность турбокомпрессора будет низкой. Если сечение слишком маленькое, то эффективность будет низкой на высоких оборотах.

За счет возможности изменения сечения турбокомпрессоры с изменяемой геометрией улучшают отклик, повышают мощность и крутящий момент, снижают потребление топлива и количество вредных выбросов

Использование регулируемого наддува позволяет существенно улучшить характер изменения крутящего момента, подняв уровень максимальных величин и сместив их в зону сниженных частот вращения двигателя.