Система выпуска отработавших газов

      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 100 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. 

5. 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).

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. 

6. 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. 

7. 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.