9.5. Турбонаддув двигателя

При турбонаддуве энергия отработавших газов используется в турбине, приводящей центробежный компрессор для подачи воздуха в двигатель. Большая масса воздуха, поступающая в двигатель под давлением из компрессора, способствует повышению удельной мощности двигателя и снижанию его удельного расхода топлива. Двухступенчатые сжатие воздуха и расширение отработавших газов, осуществляемые в двигателе с турбонаддувом, позволяют получить высокий индикаторный КПД двигателя.

Если для наддува применяют компрессор с механическим приводом от двигателя, то вследствие подачи большего количества воздуха возрастает лишь мощность двигателя. При сохранении такта расширения только в цилиндрах двигателя отработавшие газы выходят из него под высоким давлением, и если они в дальнейшем не используются, то это вызывает повышение удельного расхода топлива.

Степень наддува зависит от назначения двигателя. При более высоких давлениях наддува воздух в компрессоре сильно нагревается и на входе в двигатель его необходимо охлаждать. В настоящее время турбонаддув применяют в основном в дизелях, повышение мощности которых на 25-30 % не требует большого форсирования по давлению наддува, и охлаждение двигателя при этом не вызывает трудностей. Такой способ повышения мощности дизеля применяют чаще всего.

Увеличение количества поступающего в двигатель воздуха позволяет работать на бедных смесях, что снижает выход СО и СНх. Так как мощность дизелей регулируется подачей топлива, а подаваемый воздух не дросселируется, то при частичных нагрузках используются очень бедные смеси, что способствует уменьшению удельного расхода топлива. Воспламенение бедной смеси в дизелях с наддувом не вызывает трудностей, так как оно происходит при высоких температурах воздуха. Продувка камеры сгорания подаваемым воздухом в дизелях допустима, поскольку в отличие от бензинового двигателя уноса топлива в выпускной трубопровод в них нет.

У дизеля с наддувом степень сжатия обычно несколько уменьшают с тем, чтобы ограничить максимальное давление в цилиндре. Более высокие давления и температура воздуха в конце такта сжатия уменьшают задержку воспламенения, и жесткость работы двигателя становится меньше.

У дизелей с турбонаддувом определенные проблемы существуют при необходимости быстро увеличить мощность двигателя. При нажатии на педаль управления рост подачи воздуха вследствие инерции турбокомпрессора отстает от увеличения подачи топлива, поэтому вначале двигатель работает на обогащенной смеси с повышенной дымностью и лишь через некоторый промежуток времени состав смеси достигает требуемого значения. Длительность этого периода зависит от момента инерции ротора турбокомпрессора. Попытка свести инерцию ротора до минимума уменьшением диаметра рабочих колес турбины и компрессора влечет за собой необходимость увеличения частоты вращения турбокомпрессора до 100 000 мин^-1. Такие турбокомпрессоры имеют небольшие размеры и массу, пример одного из них приведен на рис. 84. Чтобы получить высокие обороты турбокомпрессора, применяют турбины центростремительного типа. Теплопередача от корпуса турбины к корпусу компрессора должна быть минимальна, поэтому оба корпуса хорошо теплоизолируются друг от друга. В зависимости от числа цилиндров и схемы объединения их выпускных трубопроводов турбины имеют один или два входа для отработавших газов. Дизель с наддувом благодаря утилизации энергии отработавших газов дает возможность достичь очень низкого удельного расхода топлива. Напомним, что тепловые балансы двигателей внутреннего сгорания приведены в табл. 8 и 9.

Рис. 84. Турбокомпрессор для наддува двигателя

Для легковых автомобилей недостатком дизельного двигателя является его большая масса. Поэтому создаваемые новые дизели для легковых автомобилей базируются, в основном, на высокооборотных бензиновых двигателях, так как использование высоких частот вращения позволяет уменьшить массу дизеля до приемлемой величины.

Расход топлива у дизеля особенно при движении в городе на режимах частичных нагрузок заметно меньше. Дальнейшее развитие этих дизелей связано с турбонаддувом, в условиях которого содержание вредных углеродосодержащих компонентов в отработавших газах снижается, а его работа становится мягче. Увеличение NO_x. вследствие более высоких температур сгорания может быть уменьшено рециркуляцией отработавших газов. Стоимость дизельного двигателя выше, чем бензинового, однако при недостатке нефти его применение более выгодно, так как из нефти может быть изготовлено больше дизельного топлива, чем высокооктанового бензина.

Турбонаддув бензиновых двигателей имеет некоторые особенности. Температура отработавших газов бензиновых двигателей выше, это предъявляет более высокие требования к материалу лопаток турбины, однако не является фактором, ограничивающим применение наддува. Воспламенение очень бедных смесей бензина с воздухом происходит с трудом, поэтому необходимо регулировать количество подаваемого воздуха, что особенно важно при высоких частотах вращения, когда компрессор подает большое количество воздуха. В отличие от дизеля, где регулирование мощности производится уменьшением подачи топлива, в бензиновом двигателе аналогичный метод неприменим, так как состав смеси был бы на этих режимах? настолько бедным, что воспламенение не было бы гарантировано. Поэтому подача воздуха на режимах максимальной частоты вращения турбокомпрессора должна быть ограничена. Существует несколько способов такого ограничения. Наиболее часто используют перепуск отработавших газов через специальный канал мимо турбины, тем самым снижая частоту вращения турбокомпрессора и подаваемое им количество воздуха. Схема такого регулирования дана на рис. 85.

Рис. 85. Схема турбонаддува бензинового двигателя: 1 - воздушный фильтр; 2 - регулятор состава смеси; 3 - впускной трубопровод; 4 - компрессор; 5 - перепускной воздушный клапан; 6 - 7 - впускные каналы; 8 - патрубки впускного канала; 9 - топливная форсунка; 10 - выпускной трубопровод; 11 - турбина; 12 - глушитель шума выпуска; 13 - клапан перепуска отработавших газов; 14 - соединительный трубопровод глушителя; 15 - какал управляющего давления

Отработавшие газы из двигателя поступают в выпускной трубопровод 10, а затем через турбину 11 в глушитель шума выпуска 12. При максимальной нагрузке и высокой частоте вращения двигателя давление во впускном канале 7, передаваемое через канал 15, открывает клапан перепуска 13, через который отработавшие газы по трубопроводу 14 поступают непосредственно в глушитель, минуя турбину, В турбину поступает меньшее количество отработавших газов, и подача воздуха компрессором 4 во впускной канал 6 уменьшается в 6-8 раз. (Конструкция клапана перепуска отработавших газов показана на рис. 86.)

Рис. 86. Клапан перепуска отработавших газов: 1 - камера атмосферного давления; 2 - мембрана; 3 - камера управляющего давления

Рассмотренный способ регулирования подачи воздуха имеет тот недостаток, что снижение мощности двигателя при отпускании педали управления двигателем не происходит мгновенно и длится, кроме того, дольше, чем падает частота вращения турбины. При повторном нажатии на педаль требуемая мощность достигается с задержкой, частота вращения турбокомпрессора медленно нарастает даже после закрытия перепускного канала. Такая задержка нежелательна при оживленном движении, при необходимости быстрого торможения и последующем быстром разгоне автомобиля. Поэтому применяют другой способ регулирования, а именно используют дополнительно и перепуск воздуха через байпасный канал компрессора 4.

Воздух поступает в двигатель через воздушный фильтр 7, регулятор состава смеси 2 фирмы "Бош" (ФРГ) типа "К-Джетроник", управляющий топливными форсунками 9 (см. гл. 13), затем во впускной трубопровод 3, и далее компрессором 4 нагнетается во впускные каналы и патрубки 6-8. При быстром отпускании педали управления компрессор еще вращается, и для снижения давления в канале 6 перепускной клапан 5 вакуумом во впускном патрубке 8 открывается, и воздух под давлением из канала 6 через тот же клапан 5 перепускается вновь в трубопровод 3 перед компрессором. Выравнивание давления происходит очень быстро, частота вращения турбокомпрессора при этом резко не падает. При следующем нажатии на педаль перепускной клапан 5 быстро закрывается, и компрессор с незначительной задержкой подает в двигатель воздух под давлением. Этот способ позволяет достичь полной мощности двигателя за доли секунды после нажатия на педаль управления.

Хорошим примером бензинового двигателя с наддувом служит двигатель "Порше 911" (ФРГ). Первоначально он представлял собой безнаддувный шестицилиндровый двигатель воздушного охлаждения с рабочим объемом 2000 см³, имевший мощность 96 кВт. В варианте исполнения с наддувом его рабочий объем был увеличен до 3000 см³, а мощность доведена до 220 кВт при соответствии требованиям к уровню шума и наличию вредных веществ в отработавших газах. Размеры двигателя при этом не увеличились.

При разработке двигателя "911" был использован большой опыт, накопленный при создании двенадцатицилиндрового гоночного двигателя модели "917", который уже в 1978 г. развил мощность 810 кВт при частоте вращения 7800 мин^-1 и давлении наддува 140 кПа. На двигателе было установлено два турбокомпрессора, его максимальный крутящий момент составлял 1100 Н⋅м, а масса - 285 кг. На режиме номинальной мощности двигателя подача воздуха трубокомпрессорами при частоте вращения 90 000 мин^-1 составляла 0,55 кг/с при температуре воздуха 150-160 °С. При максимальной мощности двигателя температура отработавших газов достигала 1000-1100°С. Разгон гоночного автомобиля с места до 100 км/ч с этим двигателем длился 2,3 с. При создании этого гоночного двигателя была разработана совершенная система регулирования турбонаддува, что позволило добиться хороших динамических качеств автомобиля. Такая же схема регулирования была применена и в двигателе "Порше 911".

При полном открытии дроссельной заслонки максимальное давление наддува в двигателе "Порше 911" клапана перепуска 13 (см. рис. 85) ограничивается 80 кПа. Это давление достигается уже при частоте вращения 3000 мин^-1, в диапазоне частоты вращения двигателя 3000-5500 мин^-1 давление наддува постоянно и температура воздуха за компрессором составляет 125 °С. При максимальной мощности двигателя величина продувки достигает 22 % от расхода отработавших газов. Предохранительный клапан, установленный во впускном канале, отрегулирован на давление 110-140 кПа, и при аварии клапана перепуска отработавших газов он отключает подачу топлива, ограничивая тем самым неконтролируемое увеличение мощности двигателя. При максимальной мощности двигателя подача воздуха компрессором составляет 0,24 кг/с. Степень сжатия, равная в безнаддувном двигателе ε = 8,5, при введении наддува была снижена до 6,5. Кроме того, были применены выпускные клапаны с натриевым охлаждением, изменены фазы газораспределения и улучшена система охлаждения. При максимальной мощности двигателя частота вращения турбокомпрессора составляет 90 000 мин^-1, при этом мощность турбины достигает 26 кВт. Автомобили, предназначенные на экспорт в США, должны отвечать требованиям, предъявляемым к содержанию вредных веществ в отработавших газах, и поэтому поставляемые в США автомобили "Порше 911" дополнительно оснащены двумя тепловыми реакторами, системой подачи вторичного воздуха в отработавшие газы для их дожигания, а также системой рециркуляции отработавших газов. Мощность двигателя "Порше 911" при этом уменьшается до 195 кВт.

В некоторых других системах регулирования турбонаддува, например системе АРС шведской фирмы СААБ, для регулирования давления наддува применена электроника. Ограничение давления наддува осуществляется клапаном, регулирующим поток отработавших газов через перепускной канал мимо турбины. Клапан открывается при возникновении разрежения во впускном трубопроводе, величина которого регулируется дросселированием потока воздуха между впускным трубопроводом и входом в компрессор.

Регулирующая разрежение в перепускном клапане дроссельная заслонка имеет электропривод, управляемый электронным устройством по сигналам датчиков давления наддува, детонации и частоты вращения. Датчик детонации представляет собой чувствительный пьезоэлектрический элемент, установленный в блоке цилиндров и обнаруживающий возникновение детонационных стуков. По сигналу этого датчика ограничивается разрежение в управляющей камере перепускного клапана.

Такая система регулирования турбонаддува позволяет обеспечить хорошие динамические качества автомобиля, необходимые, например, для быстрого обгона в условиях интенсивного движения. Для этого можно быстро перевести двигатель в режим работы с максимальным давлением наддува, так как детонация в относительно холодном, работавшем на частичной нагрузке, двигателе не возникает мгновенно. По истечении нескольких секунд, когда температуры возрастут и начнет появляться детонация, по сигналу датчика детонации управляющее устройство снизит давление наддува.

Достоинство такого регулирования состоит в том, что оно позволяет использовать в двигателе без каких-либо изменений топлива с различными октановыми числами. При применении топлива с октановым числом 91 двигатель СААБ с такой системой регулирования может работать длительное время с давлением наддува до 70 кПа. При этом степень сжатия этого двигателя, в котором применена аппаратура впрыска бензина "Бош К-Джетроник", составляет ??? = 8,5.

Успехи, достигнутые в уменьшении расхода топлива легковых автомобилей благодаря применению турбонаддудува, способствовали его использованию и в мотоциклостроении. Здесь следует назвать японскую фирму "Хонда", которая впервые применила турбонаддув в двухцилиндровом двигателе жидкостного охлаждения модели "СХ 500" для повышения его мощности и снижения расхода топлива,. Применение турбокомпрессоров в двигателях с малым рабочим объемом имеет ряд трудностей, связанных с необходимостью получения таких же давлений наддува, как в двигателях большой мощности, но при малых расходах воздуха. Давление наддува зависит в основном от окружной скорости колеса компрессора, а диаметр этого колеса определяется требуемой подачей воздуха. Необходимо, следовательно, чтобы турбокомпрессор имел очень высокую частоту вращения при малых диаметрах рабочих колес. Диаметр колеса компрессора в упомянутом двигателе "Хонда" объемом 500 см³ составляет 48,3 мм и при давлении наддува 0,13 МПа ротор турбокомпрессора вращается с частотой 180 000 мин^-1. Максимально допустимая частота вращения этого турбокомпрессора достигает 240 000 мин^-1.

При увеличении давления наддува выше 0,13 МПа открывается клапан (рис. 87) перепуска отработавших газов, управляемый давлением наддува в камере, и часть отработавших газов, минуя турбину, направляется в выпускной трубопровод, что ограничивает дальнейшее увеличение частоты вращения компрессора. Открывание клапана перепуска происходит при частоте вращения двигателя около 6500 мин^-1 и при дальнейшем ее увеличении давление наддува уже не растет.

Количество впрыскиваемого форсункой топлива, требующегося для получения необходимого состава смеси, определяется вычислительным устройством, размещенным над задним колесом мотоцикла, которое также обрабатывает информацию датчиков температур поступающего воздуха и охлаждающей жидкости, датчика положения дроссельной заслонки, датчиков давлений воздуха, датчика частоты вращения двигателя.

Главное преимущество двигателя с наддувом проявляется в снижении расхода топлива при одновременном увеличении мощности двигателя. Мотоцикл "Хонда СХ 500" с безнаддувным двигателем потребляет 4,8 л/100 км, а тот же мотоцикл, оснащенный двигателем с наддувом модели "СХ 500 Т",- лишь 4,28 л/100 км. Масса мотоцикла "Хонда СХ 500 Г" составляет 248 кг, что более чем на 50 кг выше массы мотоциклов аналогичного класса с рабочим объемом двигателя 500-550 см³ (например, мотоцикл "Кавасаки KZ 550" имеет массу 190 кг). При этом, однако, динамические качества и максимальная скорость у мотоцикла "Хонда СХ 500 Г", такие же, как у мотоциклов с вдвое большим рабочим объемом. Тормозная система при этом усовершенствована в связи с ростом скоростных качеств этого мотоцикла. Двигатель "Хонда СХ 500 Г" рассчитан на еще более высокие скорости и его максимальная частота вращения составляет 9000 мин^-1.

Снижение среднего расхода топлива достигается также тем, что при движении мотоцикла со средней эксплуатационной скоростью давление во впускном трубопроводе равно атмосферному или даже несколько ниже его, т. е. использование наддува весьма незначительно. Лишь при полном открытии дроссельной заслонки и, следовательно, росте количества и температуры отработавших газов увеличивается частота вращения турбокомпрессора, давление наддува и благодаря этому повышается мощность двигателя. Некоторое запаздывание повышения мощности двигателя при резком открывании дроссельной заслонки имеет место и связано с временем, необходимым для разгона турбокомпрессора.

Общая схема силовой установки мотоцикла "Хонда СХ 500 Т" с турбонаддувом показана на рис. 87. Большие колебания давления воздуха во впускном трубопроводе двухцилиндрового двигателя с неравномерным порядком работы цилиндров гасятся камерой и демпфирующим ресивером. При пуске двигателя клапаны предотвращают обратный поток воздуха, вызываемый большим перекрытием фаз газораспределения. Система жидкостного охлаждения исключает подачу горячего воздуха к ногам водителя, имеющую место при воздушном охлаждении. Обдув радиатора системы охлаждения осуществляется вентилятором с электроприводом. Короткий выпускной трубопровод к турбине снижает потери энергии отработавших газов и способствует уменьшению расхода топлива. Максимальная скорость мотоцикла 177 км/ч.

Рис. 87. Схема двигателя с турбонаддувом мотоцикла 'Хонда СХ 500 Г': 1 - воздушный фильтр; 2 - глушитель шума всасывания; 3 - пластинчатый обратный клапан; 4 - датчик давления воздуха; 5 - датчик температуры всасываемого воздуха; 6 - рабочее колесо компрессора; 7 - резонансная камера; 8 - демпфирующий ресивер; 9 - датчик давления воздуха в ресивере; 10 - дроссельная заслонка; 11 - датчик положения дроссельной заслонки; 12 - датчик давления за дроссельной заслонкой; 13 - датчик давления при холодном пуске; 14 - карбюратор холодного пуска; 15 - пластинчатый обратный клапан; 16 - датчик температуры охлаждающей жидкости; 17 - вычислительное устройство; 18 - реле; 19 - реле; 20 - емкость для топлива; 21 - топливный фильтр; 22 - топливный насос; 23 - регулятор давления впрыскиваемого топлива; 24 - форсунка; 25 - датчик частоты вращения распределительного вала (двигателя); 26 - прерыватель системы зажигания; 27 - индукционная катушка; 28 - регулятор системы зажигания; 29 - выключатель системы зажигания; 30 - центральный переключатель; 31 - аккумулятор; 32 - рабочее колесо турбины; 33 - клапаны перепуска отработавших газов; 34 - камера управляющего давления клапана перепуска; 35 - выпускной трубопровод