Рис. 9.4. Схема простейшего турбонагнетателя
Система газотурбинного наддува была изобретена швейцарским инженером Альфредом Бюхи (Alfred Biichi) в начале прошлого столетия. В 1905 году он подал заявку на получение патента на наддув по системе постоянного давления или газотурбинный наддув с подводом ктурбонагнетателю отработавших газов под постоянным давлением. При таком наддуве отработавшие газы направлялись в коллектор, там накапливались и затем под постоянным давлением направлялись к турбине. Преимуществом такого наддува являлось незначительное противодавление в системе выпуска отработавших газов при высокой частоте вращения коленчатого вала, что положительно влияло на расход топлива. Более того, конструктивное исполнение турбины вследствие компенсации пульсаций давления в системе выпуска было простым. Недостатком являлся незначительный крутящий момент двигателя при низкой частоте вращения коленчатого вала.
Незадолго до Первой Мировой войны появилась первая испытательная установка с газотурбинным наддувом, воплощенная в металле. Несмотря на хорошие результаты, выразившиеся в повышении мощности и снижении удельного расхода топлива, из-за начавшихся боевых действий испытания были прекращены. Первыми двигателями, оснащенными системой турбонаддува, стали два четырехтактных судовых дизельных агрегата производства компании «MAN», созданные в 1925 году. Повышение мощности двигателей с помощью турбонаддува составило около 40%. В том же году Бюхи получил еще один патент на новый способ наддува, а именно импульсный газотурбинный наддув. В этом случае непосредственно используется кинетическая энергия отработавших газов. При этом обеспечиваются лучшие характеристики работы двигателя в нижнем диапазоне частоты вращения коленчатого вала. Так как давление газов в системе не является постоянным, объединяться могут лишь те цилиндры, которые не мешают друг другу при смене заряда смеси. В шестицилиндровом двигателе объединяются три цилиндра (рис. 9.5). Но при пользовании импульсного газотурбинного наддува из-за непостоянного коэффициента сжатия сложнее сконструировать турбину, работающую на отработавших газах.
Рис. 9.5. Схема работы импульсного газотурбинного наддува
Независимо от типа системы наддува общим является то, что механизм работает свободно и определяет частоту вращения вала нагнетателя согласно балансу мощности между нагнетателем PL, трением PR и турбиной РT:
С учетом механических (ηm) и изоэнтропийных (ηs) коэффициентов полезного действия действительным является следующее:
Для расчета изоэнтропийного возрастания энтальпии Δhs,L в нагнетателе и изоэнтропийного снижения энтальпии Δhs,T в турбине используются следующие уравнения:
Индексы «1, 2, 3» и «4» обозначают термодинамические состояния воздуха до и после нагнетателя, а также термодинамические состояния отработавших газов перед и после турбины. Индекс «L» обозначает параметры для чистого воздуха, индекс «А» — параметры для отработавших газов.
Уравнения могут объединяться и переставляться, при этом получаем коэффициент сжатия нагнетателя без принятия во внимание мощности трения:
Выведенное уравнение называется также основным уравнением газотурбинного наддува. Параметры вещества и коэффициенты полезного действия можно объединить в следующую формулу:
Основное уравнение газотурбинного наддува наглядно показывает, что давление наддува можно повысить, увеличив температуру и давление газов перед турбиной.
Нагнетатель
Большинство современных систем наддува с приводом от действия отработавших газов оснащены центробежными нагнетателем, который состоит из рабочего колеса, диффузора и спирального корпуса. Воздух всасывается по оси и ускоряется рабочим колесом. Желаемое повышение давления воздуха достигается в диффузоре и спиральном корпусе. Здесь воздух замедляется без потерь и приобретает характеристики направленного потока. Рабочий диапазон нагнетателя ограничен потоком воздуха, который уменьшается вследствие роста коэффициента сжатия нагнетателя. Для различных режимов работы двигателя границы рабочего диапазона нагнетателя описываются с помощью так называемых границ помпажа. Если нагнетатель работает за пределами зоны ограничения, то режим его работы становится нестабильным, что отрицательно влияет на работу двигателя и способно привести к повреждениям. Низкий коэффициент сжатия нагнетателя ограничен границей поглощения, определяющей максимальный объемный поток, проходящий через нагнетатель при определенном режиме работы двигателя.
Относительно редким и также неэффективным является ограничение давления наддува с помощью продувочного клапана на стороне подвода воздуха к нагнетателю, так как здесь воздух, с которым уже совершается работа, выпускается без пользы. Более рациональным является воздействие на давление наддува на стороне выпуска, что будет описано в следующем разделе.
Турбина
Турбины систем турбонаддува бывают радиальными и осевыми, в зависимости от размера двигателя. Если ротор турбины имеет диаметр до 160 мм, используются радиальные турбины. Если диаметр ротора превышает 300 мм, используются только осевые турбины, так как они имеют больший коэффициент полезного действия. В диапазоне диаметра между 160 мм и 300 мм используются оба вида турбин. Радиальные турбины используются чаще, в них отработавшие газы поступают снаружи в радиальном направлении, а выходят вдоль оси турбины. Радиальные турбины имеют спиральный корпус, в котором энергия давления отработавших газов преобразовывается в кинетическую энергию вращения вала турбины и нагнетателя, а поток направляется таким образом, чтобы лопасти ротора турбины обтекались по возможности без потерь.
На давление наддува влияет мощность турбины, а на последнюю, напротив, перепады давления на роторе турбины. В зоне перехода от впускного канала в спиральный корпус, где поперечное сечение невелико, скапливается большое количество отработавших газов, и из давление, а следовательно, и мощность турбины возрастают.
В стандартных турбонагнетателях на давление наддува обычно влияет перепускной клапан в корпусе турбины. Он открывается, когда достигается определенное давление наддува, и направляет часть отработавших газов мимо ротора турбины.
При разработке турбонагнетателя необходим компромисс между быстрым срабатыванием нагнетателя, в том числе при незначительной частоте вращения коленчатого вала, и достаточной мощностью турбины. В этом отношении система турбонаддува с изменяемой геометрией турбины имеет преимущества (рис. 9.6).
Рис. 9.6. Нагнетатель с изменяемой геометрией турбины производства фирмы «Porsche»
В этой конструкции для воздействия на мощность турбины и, как следствие, для регулировки давления наддува, используется изменяемая геометрия направляющих лопаток турбины. В спиральном корпусе расположены поворачивающиеся направляющие лопатки турбины. Посредством изменения их положения относительно ротора турбины можно влиять на пропускную способность турбины. Можно также регулировать мощность потока отработавших газов в зависимости от необходимости, в том числе направлять через турбину весь поток отработавших газов.
Охладитель наддувочного воздуха
Наряду с давлением нагнетатель повышает температуру свежего воздуха. При этом плотность подающегося в двигатель воздуха повышается непропорционально давлению, и желаемый эффект наддува может быть незначительным. В большинстве случаев сжатый воздух, прежде чем попасть в цилиндр, пропускается через охладитель надувочного воздуха. При этом значительно возрастают затраты, связанные с работой системы наддува, но зато увеличивается масса свежего заряда воздуха и понижается его температура.
Турбонаддув на четырехтактном дизельном двигателе
Использование турбнонаддува на четырехтактном дизельном двигателе на сегодняшний день является стандартом. Работа системы турбонаддува в сочетании с непосредственным впрыском топлива позволяет улучшить крутящий момент и мощность двигателя, а также снизить расход топлива. В основном возможно использование как обычного турбонагнетателя, так и импульсного газотурбинного наддува.
Различают наддув с низким и высоким давлением, граница между которыми проходит приблизительно на уровне 50-процентного повышения мощности.
Для наддува с низким давлением можно использовать обычный, не усиленный двигатель. Перекрытие клапанов составляет 100-140°УПКВ, чтобы камера сжатия хорошо продувалась, а температуры оставались незначительными. Благодаря хорошему внутреннему охлаждению продувочным воздухом температура отработавших газов в двигателе с наддувом не выше, чем в двигателе без наддува.
При увеличении мощности более чем на 50% можно говорить о наддуве с высоким давлением. Двигатель должен быть спроектирован для работы в условиях повышенных механических и термических нагрузок. Возникает максимальное давление цикла до 120 бар. Для ограничения механической нагрузки на двигатель, можно выбрать начало впрыска как «позднее».
При удваивании мощности давление наддува составляет около 2,5 бар. Для неохлажденного воздуха предел находится приблизительно при давлении наддува около 1,8 бар и температуре 110°С, поэтому при наддуве с высоким давлением необходимо использовать охладитель наддувочного воздуха. Температура, к которой необходимо стремиться, составляет 50-60°С после охладителя наддувочного воздуха. Обычные максимальные температуры на входе в турбину, используемую в транспортных средствах, на сегодняшний день составляют приблизительно 850°С.
Турбонаддув на двухтактном дизельном двигателе
Появления газотурбинного наддува для двухтактного дизельного двигателя пришлось ждать довольно долго. Необходимо было преодолеть многочисленные трудности, в частности, высокую тепловую нагрузку на поршни и цилиндры. В двухтактном двигателе максимальная мощность определялась не только пределами подачи топлива по дымности, но и максимально допустимыми температурами поршня. Следовало разработать новые способы наддува, при которых тепловая нагрузка осталась бы такой же, что и в двигателе без наддува. Необходимо было использовать охладитель наддувочного воздуха и обеспечить повышение отношения объема поступившего в цилиндр воздуха к рабочему объему цилиндра. Турбонаддув для двухтактного двигателя было сложно разработать еще и потому, что отработавшие газы должны не выталкиваться из цилиндра поршнем, а выдуваться свежим зарядом смеси. Поэтому давление продувки должно быть выше, чем давление отработавших газов перед турбиной, а это требование тяжело выполнить.
Мощность как турбины, работающей от воздействия отработавших газов, так и приводимого ею нагнетателя можно рассчитать при незначительном коэффициенте сжатия по приближенной формуле:
V — объемный поток воздуха или отработавших газов (объем на единицу времени);
Δр — разность давлений.
Величину объемного потока можно получить из общего уравнения:
m — поток масс;
R — частная газовая постоянная;
Т— абсолютная температура;
Р — абсолютное давление.
Мощность, отдаваемая турбиной, должна быть равной мощности, которую поглощает нагнетатель, если пренебречь потерями на трение:
Т — турбина;
L — нагнетатель.
Зная коэффициенты полезного действия турбины и нагнетателя, получаем следующее соотношение:
Теперь предположим, что:
тогда формула расчета необходимой температуры отработавших газов перед турбиной выглядит следующим образом:
С помощью цифровых значений, обычных для турбонаддува с подводом к нагнетателю отработавших газов с постоянным давлением,получаем:
pL = 1,6 бар, рТ = 1,4 бар, атмосферное давление pb = 1 бар
для температуры отработавших газов получаем следующее уравнение:
На вышеуказанном примере видно, что при наддуве с постоянным давлением (наддув с подводом к нагнетателю отработавших газов при постоянном давлении) температура отработавших газов должна составлять около 500°С, если мощности турбины достаточно для приведения в действие нагнетателя. Так как температура отработавших газов в двухтактном двигателе достигает только 350°С, двигатель не может работать только с наддувом от отработавших газов с постоянным давлением. Необходимо встраивать дополнительный нагнетатель с механическим приводом между турбонагнетателем и двигателем. Либо возможен вариант, когда энергия отработавших газов повышается за счет мощности двигателя посредством преждевременного открытия выпускного клапана. Данный способ может использоваться только в двигателях с равномерной продувкой и несимметричной диаграммой фаз газораспределения (раннее открытие выпускного клапана). В других двухтактных двигателях используются дополнительные нагнетатели чаще всего с параллельным, но иногда и с последовательным подключением к турбонагнетателю (рис. 9.7).
Рис. 9.7. Схема комбинированного наддува свежего воздуха на двухтактном дизельном двигателе
Повышение мощности при использовании турбонаддува на двухтактном двигателе составляет около 30%.
Турбонаддув на бензиновом двигателе
Турбонаддув в последнее время все чаще применяется на бензиновых двигателях легковых автомобилей. В основном это требуется для повышения мощности двигателей с небольшим рабочим объемом. По сравнению с дизельным двигателем требования к бензиновому двигателю гораздо выше. С одной стороны, температура отработавших газов, составляющая 950-1050°С, приблизительно на 200°С выше, чем на дизельных двигателях. С другой стороны, вследствие более высокой плотности воздуха при такой же степени сжатия достигается повышенная температура смеси в конце цикла сжатия. При этом возрастает опасность появления детонации. Для противодействия этому, возможно, потребуется снижение степени сжатия. Положительное влияние также оказывает использование непосредственного впрыска топлива, так как при этом достигается эффект охлаждения внутренней части цилиндра. В большинстве случаев все-таки необходимо изменение момента зажигания в сторону «позднего» для предотвращения недопустимо высокого максимального давления цикла и опасности появления детонации.
В диапазоне частичных нагрузок в бензиновых двигателях с наддувом используется регулирование потока воздуха с помощью дроссельной заслонки. Для предотвращения слишком сильного повышения давления после нагнетателя, с помощью клапана циркулирующего воздуха создается перепускной канал, который направляет «чрезмерный» поток воздуха в полость перед нагнетателем.
При полностью открытой дроссельной заслонке начинается собственно наддув при половине номинальной частоты вращения коленчатого вала, так как только в этом случае через турбину проходит достаточное количество отработавших газов для создания необходимого давления наддува. Давление наддува растет при росте частоты вращения коленчатого вала и уже при 3/4 номинальной частоты вращения достигает максимально допустимого значения. Вследствие использования турбонаддува изменения крутящего момента имеют неблагоприятный характер (рис. 9.8). Желаемым условием является возможность достичь высокого крутящего момента даже при незначительной частоте вращения коленчатого вала. Улучшить ситуацию можно, установив небольшой нагнетатель с более высоким скоростным напором. При этом необходимо ограничить давление наддува посредством перепускного канала. Из-за более высоких температур отработавших газов изменение геометрии турбины является сложным, и поэтому в серийном производстве используется только на двигателях большой мощности.
Рис. 9.8. Графическая характеристика крутящего момента бензинового двигателя
Выбор материала турбины в зависимости от температур до 1050°С на входе турбины в бензиновых двигателях гораздо сложнее, чем в дизельных двигателях. Используются такие материалы как «Inconel» или более высококачественные сплавы на основе никеля.