Турбонаддув

В ряду больших и малых новинок, показанных в последних автомобильных салонах, не остались незамеченными несколько легковых моделей («За рулем», 1979, № 3), двигатели которых оснащены системой турбонаддува. Их появление расценено специалистами как многообещающая тенденция. Что же представляет собой турбонаддув и почему сегодня он привлекает внимание конструкторов?

Наддувом называют увеличение наполнения цилиндров подачей под давлением воздуха или горючей смеси в систему питания. Известно, что для сгорания топлива в цилиндре требуется определенное количество воздуха (теоретически 15 кг на 1 кг бензина). Стало быть, чем больше воздуха мы подадим в цилиндр, тем больше там можно сжечь топлива и получить большую мощность. Однако объем воздуха, «вдыхаемый» цилиндрами при впуске, ограничен конструктивными параметрами двигателя: объемом цилиндров и системой впуска. Поэтому есть только один способ увеличить количество свежего заряда (смеси топлива с воздухом) в данном объеме — повысить его плотность сжатием воздуха. Оно осуществляется специальными агрегатами, называемыми компрессорами, или нагнетателями.

Итак, наддув позволяет существенно поднять мощность и крутящий момент при сохранении рабочего объема и большей части деталей базовой конструкции, что дает возможность сэкономить время на разработку новой модели и выпускать двигатели разной мощности и назначения на одних и тех же производственных площадях. Хороший пример тому — семейство отечественных двигателей ЯМЗ-238 и ЯМЗ-240.

Уже в 20—30-х годах наддув довольно широко использовали для увеличения мощности двигателей — авиационных и гоночных автомобильных. В то время распространение нашли нагнетатели с механическим приводом, получавшие энергию от самого двигателя. Удельная мощность автомобильных гоночных моторов с наддувом достигала 200 и даже 300 л. с./л. Однако столь высокие параметры были оплачены чудовищной прожорливостью этих двигателей, объяснявшейся главным образом большими потерями тепла с отработавшими газами, а также потерей мощности на привод нагнетателя.

Скупая послевоенная действительность предала забвению фантастические параметры «компрессорных» двигателей. Позднее на смену им пришли двигатели, в которых наддув осуществляется за счет энергии отработавших газов — так называемый турбонаддув.

В двигателях с турбонаддувом для сжатия воздуха применяют турбокомпрессоры, состоящие из газовой турбины и компрессора, рабочие колеса которых жестко закреплены на одном валу (рис. 1). Поток газов, имеющих на выходе из двигателя достаточно высокую кинетическую энергию, поступает на лопатки рабочего колеса турбины 4, которое, вращаясь, заставляет работать компрессор 2. Компрессор через трубопровод 1 всасывает воздух и подает его по трубопроводу 3 в цилиндры двигателя под определенным давлением.

Основное достоинство турбонаддува — высокая топливная экономичность, обусловленная использованием части тепла и энергии отработавших газов. Производительность компрессора и, следовательно, прирост мощности тем значительнее, чем выше их температура и давление. Получается, что эффект турбонаддува наиболее ощутим на режимах, близких к максимальной мощности. На переменных режимах, в которых двигатели транспортных машин работают 70-80% времени, отчетливо проявляется отрицательная сторона турбокомпрессора — инерционность: при увеличении открытия дросселя температура и давление отработавших газов возрастают не мгновенно, поэтому скорость вращения компрессора растет пусть с незначительной, но все же с задержкой. С этим связаны худшая приемистость и затрудненный пуск двигателя. Кроме того, энергия отработавших газов на малых нагрузках недостаточна для приведения в движение турбокомпрессора, так как мощность турбины не обеспечивает подачи в цилиндр необходимого количества воздуха.

Поэтому до последнего времени область применения турбокомпрессоров в автомобилестроении ограничивалась двигателями таких машин, для которых характерна работа с большими нагрузками в более или менее постоянном режиме (карьерные самосвалы, магистральные грузовики), а также спортивными двигателями. Немногочисленные попытки выпуска серийных легковых автомобилей с турбонаддувом («Бьюик Ф-85 джетфайр турбо-рокет» и «Шевроле Корвэйр монца» в США — 1962 год, «БМВ-2002 турбо» в ФРГ — 1974 год) из-за отмеченных выше недостатков не принесли заметного коммерческого успеха, и такие модели были быстро сняты с производства.

Но тут в дело вмешались внешние обстоятельства. Энергетический кризис вынудил принять жесткие меры по уменьшению расходов топлива. С этой целью, например, в США принят закон, по которому автомобильные фирмы должны обеспечить к 1985 году снижение среднего расхода топлива выпускаемых ими моделей до 8,5 л/100 км. Столь существенное снижение невозможно без соответствующего уменьшения массы автомобиля. А поскольку большие автомобили по-прежнему популярны в США, фирмы пытаются, в частности, уменьшить их массу и установкой более легкого двигателя меньшего литража. Применение же турбонаддува является выгодным способом поднять мощность, например, V-образного шестицилиндрового двигателя до уровня обычной (без наддува) V-образной «восьмерки». Именно так поступили конструкторы фирмы «Бьюик». Ее модель «Регал турбо» стала первой на американском рынке. За ней подоспели другие: западногерманский «Даймлер-Бенц», шведский СААБ. Стремясь расширить рынок сбыта в США, «Даймлер-Бенц» установил дизель с турбонаддувом (115 л. с.) на известные автомобили семейства «C», для которых мощность пятицилиндрового двигателя без наддува (80 л. с.) была явно недостаточна.

Весьма интересен двигатель «СААБ-турбо». Его конструкторы добивались прежде всего не увеличения максимальной мощности, а увеличения крутящего момента на малых и средних оборотах, то есть лучшей приспособляемости двигателя, позволяющей избегать частого переключения передач. Действительно, литровая мощность двигателя по сравнению с вариантом без наддува стала больше на 26%, а крутящий момент — на 45%! Столь ошеломляющих результатов удалось добиться благодаря малогабаритному турбонагнетателю «Гаррет» с остроумной системой регулирования. Малые габариты компрессора позволяют ввести его в работу при числе оборотов, немногим превышающем обороты холостого хода, а максимальное давление наддува 0,7 атмосферы достигается в диапазоне скоростей вращения коленчатого вала 2500-3000 об/мин. При этом вал турбокомпрессора вращается со скоростью 50000 об/мин!

Система регулирования необходима для того, чтобы термические напряжения, возникающие при слишком высоком давлении подаваемого воздуха (или смеси), не привели к повреждению двигателя. Для этого создаваемый нагнетателем наддув, величина которого обычно составляет 0,7-0,8 атмосферы, ограничивают. Надо отметить, что от типа и совершенства системы регулирования во многом зависит успех применения турбонаддува в целом. На первых порах применяли систему, где перепускной клапан был помещен между компрессором и карбюратором. При достижении давления нагнетаемого воздуха 0,8 атмосферы клапан выпускал его избыток. Эта система наиболее проста, но снижает общий КПД установки. Более совершенны конструкции, в которых давление наддува регулируется за счет отработавших газов, а не за счет свежего воздуха. Это значит, что к турбине поступает точно такое их количество, которое необходимо для достижения требуемого давления наддува.

С этой целью, например, на двигателе «Порше-турбо» (рис. 2) установлен перепускной клапан 7. Он открывается под действием давления нагнетаемого воздуха и направляет часть отработавших газов в обход турбины 9 к глушителю 8. Аналогичная система применена на двигателе «Даймлер-Бенц». В двигателе «СААБ-турбо» перепуск осуществляется под действием давления самих отработавших газов.

Сегодня двигатели с турбонагнетателями для легковых автомобилей работают с давлением наддува 0,7—0,8 атмосферы, а на гоночных моторах — с давлением до 1,5 атмосферы. Их литровая мощность составляет 73-91 л. с. (СААБ, «Порше») и доходит до 220 л. с. на гоночных конструкциях. Применение турбонаддува на серийном двигателе позволяет поднять мощность двигателя на 25-45%, причем расход топлива остается практически неизменным.

У нас в стране дизели с турбонаддувом применяются на самосвалах БелАЗ-548А, углевозах БелАЗ-7525, колесных тракторах «Кировец-К701» и Т-160К. Типичным примером дизеля с турбонаддувом является двигатель ЯМЗ-240М (рис. 3). Опытный образец гоночного автомобиля К-3000 с 3-литровым восьмицилиндровым двигателем, оснащенным турбонагнетателем, построен в 1977 году харьковским автомотоклубом «Трудовые резервы».

Многолетняя работа над совершенствованием турбонаддува позволила в значительной мере устранить влияние его недостатков на нормальную эксплуатацию автомобиля. Однако существенным препятствием на пути более широкого распространения наддува остается довольно высокая стоимость узлов системы. Рассчитанные на работу при высоких температурах (до 1000°С) и скоростях (до 220000 об/мин), они требуют дорогостоящих материалов, обладающих высокой прочностью и жаростойкостью, большой точности изготовления, тщательной сборки и балансировки. Поэтому применение турбонаддува на легковых автомобилях пока довольно ограниченно. Однако, учитывая все его достоинства, можно ожидать, что в не таком далеком будущем он станет столь же распространенным средством форсирования двигателя, как, например, впрыск топлива.