Реферат на тему:
Турбонадув
Хто з автоаматорів не чув чарівне слово “турбо”? Дзвенить у вухах, уява
малює щось могутнє, стрімке. На цьому фоні якось нудно звучать терміни
“механічний компресор” або, гірше за те – “об’ємний нагнітач”. На ділі –
не зовсім так. Або зовсім не так.
Який водій не мріяв про те що б в його автомобілі жило набагато більше
конячок під капотом чим є. Якщо хтось заявить, що він не з таких, то
напевно злукавить. Благо останнім часом дану проблему досить легко
вирішити, варіантів збільшення потужності двигуна, та і що комплектують
як грязі. До нашого життя щільно увійшло слово “тюнінг” і багато
тюнінгових ательє беруться зробити з вашим улюбленцем все, що завгодно.
До російської мови з давніх пір увійшов термін “форсировка” (від
англійського force – сила), який означає “збільшення потужності”. Варто
пригадати, що потужність двигуна безпосередньо пов’язана з наступними
його основними параметрами:
– робочим об’ємом циліндрів;
– кількістю топліво-воздушной, що подається, змішай;
– ефективністю її спалювання;
– енергетичною “зарядженою” палива.
Варто відмітити, що є ще декілька варіантів збільшення потужності –
поліровка впускного/выпускного каналів, застосування фільтрів нулегого
опору, застосування прямоточної системи вихлопу, зміна параметрів
програмного забезпечення (чип-тюнінг), розточування циліндрів або
переході з бензину на “нітру” (закис азоту).
Перераховані рішення дозволяють збільшити потужність, але не істотно,
раз ве що це не стосується “нітроса”. Кардинальне рішення одне –
збільшення подачі топліво-воздушной змішай. Чим більше палива спалюється
в одиницю часу, тим вище потужність мотора. Але бензин не горить “просто
так”, для цього потрібне повітря (кисень) – в цілком певних кількостях.
Щоб збільшити подачу палива, спочатку доведеться відповідним чином
збільшити подачу повітря. Сам мотор з цим завданням не справиться – його
можливості по всмоктуванню повітря обмежені (навіть при застосуванні
фільтрів з нульовим опором). Тому і з’явилися ті самі “турбо”,
“компресори” і “нагнітачі”. Вони разниє, і дають різні результати.
Спершу небагато теорія:
Уявимо собі такт впускання двигуна внутрішнього згорання: мотор в цей
час працює як насос, до того ж вельми неефективний, – на шляху повітря
(горючій суміші) знаходиться повітряний фільтр, вигини впускних каналів,
в бензинових моторах – ще і дросельна заслінка. Все це, безумовно,
знижує наповнення циліндра. Ну а що потрібний, щоб його підвищити?
Підняти тиск перед впускним клапаном – тоді горюча суміші (для дизелів –
повітря) в циліндрі “поміститься” більше. Енергія згорання заряду з
великою кількістю палива, само собою, стане вища; виросте і загальна
потужність двигуна.
Для цих цілей було придумано досить багато рішень, але поширення набув
не багато хто.
1. Роторний нагнітач Roots. Створений Френсисом Рутсом ще в 1860 році.
Спочатку використовувався як вентилятор для провітрювання промислових
приміщень. Суть конструкції: дві прямозубиє “шестерні”, що обертаються в
протилежних напрямах, поміщені в загальний кожух (нагадує сучасний
маслонасос). Об’єми повітря в просторі між зубами шестерень і
внутрішньою стінкою корпусу благополучно доставляються від впускного
колектора до випускного. У 1949 році інший американський винахідник –
Ітон – удосконалив конструкцію: прямозубиє “шестерні” перетворилися на
косозубиє ротори, і повітря тепер переміщалося не упоперек їх осей
обертання, а уподовж. Принцип роботи при цьому не змінився – повітря
усередині агрегату не стискається, а просто перекачується в інший об’єм,
звідси і назва – об’ємний нагнітач, а не компресор.
Спіральний компессор Lysholm. Автор ідеї – німецький інженер Крігар, час
народження – кінець позаминулого століття, первинне призначення –
промислове, зараз відомий під ім’ям Lysholm завдяки роботам шведського
інженера Алфа Лізхолма, який в кінці 30-х років минулого століття
пристосував конструкцію для автомобільного застосування. Зовні – якщо не
знімати кожух – дуже схожий на нагнітач Roots. Відмінності всередині.
Начебто ті ж два ротори, що обертаються назустріч один одному
перекачують об’єми повітря уздовж осей, але сильно відважно закручені.
Перетини роторів набагато складніші, вони разниє. Найголовніше: крок
закручування роторів міняється по довжині, і при переміщенні уздовж осей
об’єм перекачуваного повітря в кожному осередку зменшується – повітря
стискається. Тому Lysholm – не просто нагнітач, а чистої води компресор.
Відцентровий компресор (сталої “фірмової” назви не має). У
корпусі-равлику обертається крильчатка складної форми. Повітря
засмоктується по центру і відкидається по периферії, при цьому завдяки
дії відцентрових сил відбувається його стиснення. По цьому це не просто
нагнітач, а теж компресор.
Турбокомпресор, воно ж турбонагнітач. По суті, це той же відцентровий
компресор, але з іншою схемою приводу. Це найважливіше, можна сказати,
принципова відмінність механічних нагнітачів від “турбо”, нехай навіть і
“бі…”, і “твін…”. Саме схема приводу значною мірою визначає
характеристики і області застосування тих або інших конструкцій. У
турбокомпресора крильчатка-нагнітач сидить на одному валу з
крильчаткою-турбіною яка вбудована у випускний колектор двигуна і
приводиться в обертання відпрацьованими газами. Прямого зв’язку з
коленвалом двигуна немає, і управління подачею повітря здійснюється за
рахунок тиску відпрацьованих газів, так би мовити, по другій похідній.
Для даної конструкції властива сповільнена реакція на бистий
“підхоплення”.
Як випливає з визначення, механічний нагнітач/компресор – роторний,
спіральний або відцентровий – має механічний привід, який здійснюється
ременем від коленвала двигуна (іноді через проміжні шківи). Тут головне
в тому, що обороти нагнітача/компресора жорстко пов’язані з оборотами
коленвала.
Нагнітач Roots і компресор Lysholm
Нагнітач Roots, і компресор Lysholm мають лінійні характеристики,
обороти компресора збільшуються синхронно з оборотами колінчастого валу,
пропорційно росте подача повітря, і крива моменту двигуна, що крутить,
практично не міняючи свою форму, рівномірно переміщається вгору. У
відцентрового і турбокомпресорів характеристики нелінійні – їх
продуктивність збільшується із зростанням числа оборотів. Тому установка
того або іншого агрегату по-різному міняє характеристики (криві
потужності і моменту, що крутить) двигуна.
?
Обидва типи компресорів вельми ефективні з найнижчих оборотів, але
Lysholm забезпечує плоскішу характеристику на вищих, у Roots її спад
починається декілька раніше. До переваг Lysholm можна віднести і вищий
ККД, і краще співвідношення габариты/масса, до того ж він менше
нагрівається при роботі. Робоча частота обертання звичайні 12-14 тис.
оборотів, але може доходити до 25 тис. про./мин. (Варто відмітити що
компанія Mercedes-Benz одна з перших почала використовувати компресора в
своїх автомобілях, при чому предпостеніє вони віддали імено роторним
конструкціям.)
Ротори Lysholm з їх складною формою вимагають високої точності
виготовлення – компресори цього типу з’явилися на ринку помітно пізніше
за інших. Головні їх виробники – шведські компанії Lysholm і Autorotor.
Відоміші споживачеві фірми Kleemann, Whipple і ін. в основному
поставляють готові комплекти на шведській основі, розроблені для
конкретних двигунів. Комплекти включають інтеркулер, систему приводу,
вхідний колектор, перехідники і різну мелочевку…
Механічний відцентровий компресор
Механічний відцентровий компресор конструктивно найбільш простий і
компактний, із-за чого вельми популярний – у американських
“самодельщиков”. Правда, тут потрібний проміжний механічний пристрій для
підвищення числа оборотів ротора (звичайний діапазон – до 100.000
про./мин.). Продуктивність нелінійна – чим вище частота обертання, тим
більше повітря подається за кожен оборот. На низах ефективність
практично нульова, тому збільшення тяги тут чекати не доводиться.
Де-небудь вище можна отримати помітний підйом кривої моменту, що
крутить, але лише в досить вузькому діапазоні оборотів. Отже,
знадобиться коробка з тим, що зближує поряд і постійна активно-утомлива
робота її важелем…
Турбокомпресор/турбонагнітач.
Турбокомпресор, за великим рахунком – той же центро-бежний компресор,
але з принципово іншим приводом. Частота обертання може перевищувати
200.000 про./мин. Явна гідність: підвищення ККД і економічності мотора
(механічний привід відбирає потужність у двигуна, цей же використовує
енергію відпрацьованих газів, отже, ККД збільшує). Мінус – інерційність:
“втиснув” різко газ і чекай, поки мотор набере обороти, збільшиться тиск
вихлопних газів, розкрутиться турбіна, з нею крильчатка нагнітача – і
нарешті, “піде” повітря. Але з цим явищем, що іменується “турбо-яма
(по-англійськи “turbo-lag”, що правильніше було б перевести як
“турбо-затримка” або “турбо-пауза”) “, навчилися боротися…
Тому, окрім власне агрегату наддуву, під капотом “поселилися” два
перепускні клапани: один – для відпрацьованих газів, а інший – щоб
перепускати зайве повітря з колектора двигуна в трубопровід до
компресора. Цей клапан також управляється тиском у впускному колекторі.
Таким чином, частота обертання ротора турбіни при скиданні газу
знижується трохи, і при подальшому натисненні на педаль затримка подачі
повітря складає десяті долі секунди – час закриття клапана.
Останнім часом стали застосовувати такий спосіб регулювання подачі
повітря, як змінний кут нахилу лопаток компресора. Ідея ця, знову-таки,
давня, а ось утілити її довго не могли; як приклад назвемо новітній
агрегат наддуву “опельовськіх” дизелів “Екотек”.
Ще одна проблема використання тубін – це їх недовгий термін життя, хоча
останнім часом вдалося значно збільшити цей час. Як уже згадувалося,
частота обертання ротора турбіни повинна бути дуже велика. До 150-200
тисяч об/мин. До останнього часу термін служби всього агрегату
обмежувала саме довговічність підшипників. По суті, це були вкладиші,
подібні до вкладишів колінчастого валу, які змащувалися маслом під
тиском. Знос таких підшипників ковзання був, звичайно, великий, проте
кулькові не витримували величезної частоти обертання і високих
температур. Вихід знайшли тільки недавно, коли вдалося розробити
підшипники з керамічними кульками. Спершу це зробили японські фірми, а
потім і шведський СЬКФ – і машини з такими підшипниками з’явилися на
дорогах. Проте гідно здивування не застосування кераміки – підшипники
заповнені постійним запасом пластичного мастила, тобто канал від штатної
масляної системи двигуна вже не потрібний! На черзі – металокерамічний
ротор турбіни, який приблизно на 20% легше виготовленого з жаростійких
сплавів, та до того ж володіє меншим моментом інерції.
По своєму впливу на характеристику моменту двигуна, що крутить,
турбокомпресор начебто схожий з механічним відцентровим. Але
“опосередкована” система приводу дозволяє підстроювати характеристики
турбокомпресора в ширшому діапазоні, вирівнюючи початкові дефекти кривої
моменту мотора, що крутить. Турбіни низького і високого тиску на
порівняно “маломірних” двигунах Volvo, Volkswagen або Saab – чи це не
приклади.
Що стосується “бітурбо” і “твінтурбо” замість однієї турбокомпресорної
установки використовуються дві – паралельно (буває і послідовно, але
рідше). Кожен ротор трохи менше, трохи легший, менш інерційний,
чуйніший. І управляти діапазонами їх роботи при послідовному надду-ве
можна по-різному, добиваючись потрібної підсумкової характеристики.
Справа в тому що ротор турбокомпресора не можна зробити великим! І все
тому, що чим більше діаметр турбіни, тим вище її момент інерції. Отже,
навіть якщо водій при розгоні порізкіше натисне на педаль акселератора,
швидкого прискорення все одно не вийде: доведеться почекати, поки
турбіна набере відповідні обороти. Отже, турбіну слід зробити якомога
менше по діаметру. Але надходження повітря залежить від окружної
швидкості лопаток, яка тим менше, чим менше діаметр ротора: Залишається
збільшувати обороти, хоч і тут є обмеження, цього разу з боку допустимих
навантажень на матеріали. Ось і використовують декілька турбін з меншим
діаметром в паралель.
Система Інтеркуллер.
Ви швидше за все зустрічали на машинах напис “інтеркулер” на борту.
Повітря, що стискається компресором, неминуче нагрівається. При цьому
зменшується його щільність і вміст в нім кисню, ради якого, власне, все
і затівалося. Тому перед подачею в двигун стисле повітря варто охолодити
– в додатковому радіаторі, який і іменується інтеркулером. При помірній
форсировке мотора без інтеркулера можна обійтися, але якщо робити все
“по-великому”, його застосування неминуче.
Джерело: tuning.infocar.com.ua
Нашли опечатку? Выделите и нажмите CTRL+Enter
