История создания турбокомпрессоров

История создания турбокомпрессоров 

Двигателестроители, начиная с Отто и Дизеля, всегда мечтали о максимально возможном  наполнении цилиндров воздухом. Но двигатель должен был бы сам себя «надувать» сжатым воздухом, чтобы  не было лишних затрат энергии. Чем  больше в цилиндрах воздуха, тем больше энергии, что в итоге выливается в значительном приросте мощности и крутящего момента.

Естественно изобретатели ухватились за идею использовать энергию  выхлопных газов для нагнетания воздуха. Хотя все это звучит просто, но прошло много лет до того как эту идею смогли реализовать – турбокомпрессоры появились спустя сто лет после изобретения двигателя внутреннего сгорания.

Первым кто  описал и запатентовал принцип работы турбокомпрессора был Альфред Бюхли  в 1905 году. Инженеры никогда не сталкивались с нехваткой воздуха, ведь даже совсем небольшой компрессор может передать большое количество воздуха. Проблема была в другом, а именно в том, как контролировать давление наддува между переключениями передач. Первоначально турбокомпрессоры устанавливались на самолеты и корабли. На этих транспортных средствах обороты двигателя изменяются плавно. Затем стали устанавливать турбокомпрессоры на дизельные двигатели. В 50 годы нашего столетия стали устанавливать турбины на гоночные автомобили, где скорость была примерно постоянна. В те же годы инженеры General Motors оснастили турбодвигателями и серийные модели, но тут же обнаружились «подводные камни». При разгоне с малых оборотов компрессор реагировал очень медленно. Это я вление назвали «Турболагом» или «Турбоямой». На больших оборотах турбонагнетатели давали слишком большое давление.

К концу 60-х годов  инженер из Швейцарии Михаэль  Мэй выдвинул идею, о том, что турбокомпрессоры нужно делать маленьких размеров, тогда они будут подавать меньшее количество воздуха с одной стороны, а с другой стороны маленький агрегат имел малый вес, и поэтому обладал меньшей инертностью и быстрее реагировал на изменение скорости.

В это же время  фирма Porsche тоже заинтересовалась идеей  турбокомпрессора. Они совместно с фирмой ККК в начале 70-х годов и положили начало эры турбокомпрессоров в автомобилестроении. В турбодвигателях при нажатии на педаль акселератора давление должно было резко возрастать, а при отпускании педели – резко падать. Поступили следующем образом: когда давление становилось большим выхлопные газы перепускались мимо турбины. Когда дроссельная заслонка закрывается, стравливаются выхлопные газы. При этом крыльчатка турбокомпрессора еще вращается, но не в полную силу. Когда же давление наддува снова будет необходимо, перепускной клапан закрывается, и турбина быстрее раскручивается.

Было еще много  других проблем, например температура  в турбокомпрессорах бензинового  двигателя достигает 1000 градусов, но все эти проблемы были решены, и  в наше время турбокомпрессоры честно служат на пользу человечества. 

 Какой водитель  не мечтал о том что бы  в его автомобиле жило намного  больше лошадок под капотом  чем есть.. Благо последнее время  данную проблему довольно легко  решить, вариантов увеличения мощности двигателя, да и комплектующих полно. В нашу жизнь плотно вошло слово "тюнинг" и многие тюнинговых ателье берутся сделать с вашим любимцем все, что угодно. 

 В русский  язык с давних пор вошел  термин "форсировка" (от английского  force - сила), который означает "увеличение мощности". Стоит вспомнить, что мощность двигателя напрямую связана со следующими его основными параметрами: 

рабочим объемом  цилиндров; 

количеством подаваемой топливо-воздушной смеси; 

эффективностью  ее сжигания; 

энергетической "заряженностью" топлива. 

Стоит заметить, что есть ещё несколько вариантов  увеличения мощности - полировка впускного/выпускного каналов, применение фильтров нулегого сопротивления, применение прямоточной  системы выхлопа, модификация параметров программного обеспечения (чип-тюнинг), расточка цилиндров или переходе с бензина на "нитру" (закись азота). 

Такие решения  позволяют увеличить мощность, но не существенно, разве что это  не касается "нитроса".  Главное  решение одно - увеличение подачи топливо-воздушной  смеси. Чем больше топлива сжигается в единицу времени, тем выше мощность мотора. Но бензин не горит "просто так", для этого нужен воздух (кислород) - во вполне определенных количествах. Чтобы увеличить подачу топлива, вначале придется соответствующим образом усилить подачу воздуха. Сам мотор с этой задачей не справится - его вероятности по всасыванию воздуха ограничены (даже при применении фильтров с нулевым сопротивлением). Поэтому и появились те самые "турбо", "компрессоры" и "нагнетатели". Они разные, и дают разнообразные результаты.

Для начала немного  теории: 

Представим себе такт впуска двигателя внутреннего  сгорания: мотор работает как насос, к тому же весьма неэффективный - на пути воздуха (горючей смеси) находится  воздушный фильтр, извилины впускных каналов, в бензиновых моторах - еще и дроссельная заслонка. Все это снижает наполнение цилиндра. Что же сделать, чтобы его повысить? Поднять давление перед впускным клапаном - тогда горючей смеси (для дизелей - воздуха) в цилиндре будет больше. Энергия сгорания заряда с большим количеством топлива, само собой, повысится; вырастет и общая мощность двигателя. 

 Для этих  целей существует много решений,  но распространение получили  не многие. 

1. Роторный нагнетатель  Roots. Создан Фрэнсисом Рутсом еще  в 1860 году. Первоначально применялся как вентилятор для проветривания промышленных помещений. Суть : две вращающиеся в противоположных направлениях прямозубые "шестерни", помещенные в общий кожух (напоминает современный маслонасос). Объемы воздуха в пространстве между зубьями шестерен и внутренней стенкой корпуса благополучно доставляются от впускного коллектора до выпускного. В 1949 году другой американский изобретатель - Итон - усовершенствовал конструкцию: прямозубые "шестерни" превратились в косозубые роторы, и воздух теперь перемещался не поперек их осей вращения, а вдоль. Принцип работы - воздух внутри агрегата не сжимается, а просто перекачивается в другой объем, отсюда и название - объемный нагнетатель, а не компрессор. 

2. Спиральный  компрессор Lysholm. Автор идеи - немецкий инженер Кригар, время рождения - конец позапрошлого века, первоначальное назначение - промышленное, сейчас известен под именем Lysholm благодаря работам шведского инженера Алфа Лизхолма, который в конце 30-х годов прошлого века приспособил конструкцию для автомобильного применения. Внешне - если не снимать кожух - очень похож на нагнетатель Roots. Отличия внутри. Вроде бы те же два ротора, вертящиеся навстречу друг другу перекачивают объемы воздуха вдоль осей, но сильно лихо закручены. Сечения роторов намного сложнее, они разные. Самое главное: шаг закрутки роторов меняется по длине, и при перемещении вдоль осей объем перекачиваемого воздуха в каждой ячейке уменьшается - воздух сжимается. Поэтому Lysholm - не просто нагнетатель, а чистой воды компрессор. 

3. Центробежный  компрессор (устоявшегося "фирменного" названия не имеет). В корпусе-улитке  вращается крыльчатка сложной  формы. Воздух затягивается по  центру и отбрасывается по  периферии, при этом благодаря  действию центробежных сил происходит его сжатие. По этому это не просто нагнетатель, а тоже компрессор. 

4. Турбокомпрессор,  оно же турбонагнетатель. По  сути, это тот же центробежный компрессор, но с другой схемой привода.  Это самое важное, можно сказать,  принципиальное отличие механических нагнетателей от "турбо", пусть даже и "би...", и "твин...". Именно схема привода в значительной мере определяет характеристики и области применения тех или иных конструкций. У турбокомпрессора крыльчатка-нагнетатель находится  на одном валу с крыльчаткой-турбиной, которая встроена в выпускной коллектор двигателя и приводится во вращение отработавшими газами. Прямой связи с коленвалом двигателя нет, и управление подачей воздуха осуществляется за счёт давления отработавших газов, так сказать, по второй производной. Для данной конструкции присуща замедленная реакция на быстрый "подхват". 

Механический  нагнетатель/компрессор - роторный, спиральный или центробежный - имеет механический привод, который осуществляется ремнем от коленвала двигателя (иногда через промежуточные шкивы). Здесь главное, что бы обороты нагнетателя/компрессора жестко связаны с оборотами коленвала. 

Нагнетатель Roots и компрессор Lysholm 

 Нагнетатель  Roots, и компрессор Lysholm имеют линейные  характеристики, обороты компрессора  повышаются синхронно с оборотами коленчатого вала, пропорционально растет подача воздуха, и кривая крутящего момента двигателя, практически не меняя свою форму, размеренно перемещается вверх. У центробежного и турбокомпрессоров характеристики нелинейные - их производительность увеличивается с ростом числа оборотов. Поэтому установка того или иного агрегата по-разному меняет характеристики (кривые мощности и крутящего момента) двигателя. 

 Оба типа  компрессоров весьма эффективны  с самых низких оборотов, но Lysholm обеспечивает более плоскую характеристику на высших, у Roots ее спад начинается несколько раньше. К преимуществам Lysholm можно отнести и более высокий КПД, и лучшее соотношение габариты/масса, к тому же он меньше нагревается при работе. Рабочая частота вращения обычно 12-14 тыс. оборотов, но может доходить до 25 тыс. об./мин. (Стоит заметить что компания Mercedes- Benz одна из первых начала использовать компрессора в своих автомобилях, при чем предпочтение они отдали именно роторным конструкциям.) 

 Роторы Lysholm с их сложной формой требуют высочайшей точности изготовления - компрессоры этого типа появились на рынке заметно позже других. Главные их производители - шведские компании Lysholm и Autorotor. Известны потребителю фирмы Kleemann, Whipple и пр. в основном поставляют готовые комплекты на шведской основе, разработанные для конкретных двигателей. Комплекты включают интеркулер, систему привода, входной коллектор, переходники и разную мелочевку... 

 Механический нагнетатель 

    Механические  нагнетатели применялись в автомобильных двигателях еще в 30-е годы, тогда их чаще всего называли компрессорами. Сейчас этот термин обычно относят к турбокомпрессорам, о которых речь пойдет ниже. Конструкций механических нагнетателей довольно много, и интерес к ним разработчики проявляют до сих пор. На рисунках 1-4 представлены схемы некоторых устройств, принцип работы которых не требует дополнительных пояснений.

    Есть  конструкции и не совсем обычные. Одна их них - волновой нагнетатель Comprex (рис. 5) - принадлежит фирме Asea-Brown-Boweri. Ротор этого компрессора имеет аксиально расположенные камеры, или ячейки. При вращении ротора в ячейку поступает свежий воздух, после чего она подходит к отверстию в корпусе, через которое в нее попадают горячие отработавшие газы двигателя. При их взаимодействии с холодным воздухом образуется волна давления, фронт которой, движущийся со скоростью звука, вытесняет воздух в отверстие впускного трубопровода, к которому ячейка за это время успевает подойти. Поскольку ротор продолжает вращаться, отработавшие газы в это отверстие попасть не успевают, а выходят в следующее по ходу ротора. При этом в ячейке образуется волна разряжения, которая всасывает следующую порцию свежего воздуха и т. д.

Нагнетатель Comprex уже опробован несколькими автомобильными производителями, а Mazda использует его  на одном из своих серийных двигателей с 1987 года. 

    Еще  одна не совсем обычная конструкция  - это спиральный, или G-образный (по  форме буквы G, напоминающей спираль)  нагнетатель. Идея запатентована  еще в начале столетия, но из-за  технических и производственных  проблем на выпуск такого нагнетателя долго никто не решался. Первой, в 1985 году была фирма Volkswagen, которая применила его на двигателе купе Polo (1,3 л, 113 л. с.). В 1988 году появился более мощный нагнетатель G60, которым в течение нескольких лет комплектовались двигатели Corrado и Passat (1,8 л, 160 л. с.,), а Polo G40 выпускался вплоть до 1994 года. 

    Схематично (рис. 6) конструкцию G-образного нагнетателя  можно представить в виде двух  спиралей, одна из которых неподвижна  и является частью корпуса.  Вторая - вытеснитель - расположена между витками первой и закреплена на валу с эксцентриситетом в несколько миллиметров. Вал приводится от двигателя ременной передачей с отношением около 1:2.

    При вращении вала внутренняя спираль совершает колебательные движения и между неподвижной (корпус) и обегающей (вытеснитель) спиралями образуются серпообразные полости, которые движутся к центру, перемещая воздух от периферии и подавая его в двигатель под небольшим давлением. Количество перемещаемого воздуха зависит от частоты вращения коленчатого вала двигателя. 

    Система  имеет сравнительно высокий (около  65%) КПД. Трущихся частей почти  нет, поэтому износ деталей  незначителен. Установленный на двигателе Polo нагнетатель G40 (40 и 60 в маркировке нагнетателей Volkswagen - это ширина спиральных камер в миллиметрах) имеет внутреннюю степень сжатия 1,0; максимальное давление наддува составляет 0,72 бар. При номинальной частоте вращения ротора 10200 об./мин. за один оборот подается 566 см куб. воздуха, т. е. почти 6000 л/мин.