Тема: Турбото: Не просто въздух под налягане.

[Nedko-w124]

На 16 ноември 1905 г. швейцарският инженер Алфред Бюхи получава свидетелство № 204630 от Имперската патентна служба на Германския райх. Документът е издаден за изобретение, което според описанието представлява "машина с вътрешно горене, състояща се от нагнетател (турбинен компресор), бутален двигател и турбина в последователна подредба".
От официалния рожден ден на турбокомпресора е изминал повече от век. Днес той се смята за толкова естествен атрибут на съвременните двигатели, че на емблемите "Turbo" от 70-те, с които производителите подчертават буйния нрав на първите модели с принудително пълнене, се гледа като на симпатичен архаизъм. От онзи ноемврийски ден на 1905-а обаче трябва да изтече доста вода, докато простото на теория устройство се наложи в практиката.



Проблемът с повишаването на мощността занимава автомобилните конструктори от самото възникване на тази професия. Законите на физиката гласят, че тягата на двигателя зависи пряко от количеството оползлотворявано гориво за един работен цикъл. Колкото повече от него изгаря, толкова повече нараства мощността. На пръв поглед излиза, че ако се налива достатъчно бензин или дизел, конските сили под капака могат да се увеличават до безкрай. Работата обаче е там, че за горенето е нужен кислород и в цилиндрите постъпва не чисто гориво, а гориво-въздушна смес. При това нейните съставки трябва да бъдат в точно определено съотношение. В зависимост от особеностите на различните бензинови двигатели на една част гориво могат да се падат примерно 10-15 части въздух, а дизеловите се нуждаят от още повече кислород. Не са необходими особени инженерни познания, за да се прецени, че това е доста въздух, а с увеличаването на потока подавано гориво за постигане на по-голяма мощност обемът му нараства пропорционално. Традиционният двигател с вътрешно горене се снабдява с необходимия кислород самостоятелно заради разликата между налягането в цилиндрите и атмосферата. Получава се пряка зависимост - колкото по-голям е работният обем, толкова повече въздух трябва да постъпва в мотора. Американците следват тази естествена логика, като конструират двигатели с огромна кубатура и умопомрачаващ разход на гориво. Дали обаче няма начин да се вкара повече въздух в същия работен обем?



Този въпрос си задава още Готлиб Даймлер, който поназнайва това-онова за двигателите с вътрешно горене. През 1885 г. той измисля устройство, подобно на вентилатор, което се задвижва непосредствено от коляновия вал на мотора и нагнетява в цилиндрите свеж въздух. 20 години по-късно вече споменатият Алфред Бюхи доразвива идеята. Той работи като конструктор на дизелови агрегати в Sulzer Bros. и определено се дразни от ниската мощност на иначе тежките и грамадни двигатели. Не му се нрави и решението с механичен компресор, защото така се отнема въртящ момент от мотора. Хрумва му, че може да използва енергията на отработените газове. Както всяко гениално изобретение, и това е пределно просто. Както вятърът върти перката на мелницата, така и въздушният поток на ненужните вече газове може да задвижва лопатките на нагнетателя. Разликата се състои само в това, че те са доста повече на брой, а колелото, на което са закрепени, е много по-малко. То се нарича турбинен ротор и е фиксирано към вала на компресора. Изгорелите газове въртят ротора, а той - компресора, който в качеството си на "вентилатор" снабдява с допълнителен въздух цилиндрите. Самото понятие "турбокомпресор" описва добре процеса чрез съставните си латински думи "turbo" ("вихър") и "compressio" ("сгъстявам").



Подаваният към цилиндрите въздух се нагрява от сгъстяването, триенето между детайлите на компресора и високата температура на отработените газове. За да се постигне по-висока ефективност, той трябва да се охлажда допълнително. Така плътността му се увеличава и позволява по-лесно сгъстяване на повече кислород в горивната камера. Това става с помощта на междинен охладител, познат още като интеркулер. Той представлява радиатор, монтиран по пътя на въздуха от турбокомпресора към цилиндрите.
Колкото повече отработени газове попадат в турбината, толкова по-бързо се върти тя. Допълнителното количество подаван въздух увеличава мощността и процесът е значително по-ефективен, отколкото при механинчия аналог. Турбокомпресорът изразходва несравнимо по-малка част от мощността на двигателя, отколкото задвижвания от коляновия вал нагнетател - едва 1.5%. Роторът не черпи енергията от забавянето на потока отработени газове, а от охлаждането им. На изхода на турбината те се движат с почти същата скорост, но са по-студени. Освен това използваната за сгъстяване на въздуха енергия повишава коефициента на полезно действие на двигателя, тъй като в противен случай просто би била изгубена. Генерирането на по-висока мощност от по-малък работен обем пък на свой ред означава по-малко загуби от триене и по-ниско тегло на двигателя. Комплексът от тези преимущества прави автомобилите с турбомотори по-икономични в сравнение с атмосферните агрегати с аналогична мощност. Звучи като пълно щастие, но не всичко е толкова просто. Турбокомпресорът крие и проблеми.



Скоростта на въртене на турбината може да достигне невъобразимите 200 000 об/мин, а температурата на отработените газове понякога се покачва до 1 000 градуса по Целзий. Да се създаде компресор, способен да издържа подобни натоварвания продължително време, не е никак лесна и евтина работа. Това обяснява защо турбото навлиза в едросерийната техника едва през годините на Втората световна война и то само в авиацията. През 50-те инженерите на американската компания Caterpillar съумяват да го приспособят за своите трактори, а конструкторите на Cummins създават първите турбодизели за камионите си. Серийни леки автомобили с такъв тип принудително пълнене се появяват още по-късно. Това се случва през 1962 г., когато почти едновременно са представени Oldsmobile Jetfire и Chevrolet Corvair Monza. Уви, технологичната сложност на тяхната конструкция и високата цена съвсем не са единствените им недостатъци. Ефективността на турбокомпресора зависи в много висока степен от работните режими на двигателя. При ниски обороти отработените газове не са достатъчно, роторът се върти слабо и нагнетателят почти не захранва мотора с допълнителен въздух. До около 3 000 об/мин мощност липсва, а след 4-5 000 се получава внезапен скок в тягата и истински "ритник" в ускорението. Явлението се нарича "турбо дупка". Колкото по-голям е компресорът, толкова по-дълго трае ефектът є. Ето защо двигатели с висока литрова мощност и турбини с високо налягане страдат сериозно от този недостатък, а такива с ниско са пощадени от него, но пък мощността им не се повишава много.



Решение на проблема с турбо дупката дава схема с последователно принудително пълнене. Тя се състои от малък нискоинерционен турбокомпресор, който увеличава мощността при ниски обороти. При достигането на по-високи, когато налягането на отработените газове нараства, се включва втори, по-голям нагнетател. Такава система намира приложение в конструкцията на суперкара Porsche 959, а днес се използва в турбодизелите на BMW. При бензиновите мотори на Volkswagen ролята на малкия компресор се поема от механичен нагнетател.
В редовите двигатели често се прилага решението с единичен компресор с двоен работен апарат (Twin Scroll). Всеки от неговите два "охлюва" се пълни от различни групи цилиндри, но и двата подават въздух към една турбина, като я развъртат ефективно и при ниски, и при високи обороти.



По-често се срещат конструкции с два еднакви нагнетателя, обслужващи паралелно отделни цилиндрови групи. Такава схема е типична за V-образните двигатели, всеки от чиито два блока разполага със собствено турбо. Разновидност на тази конструкция са осемцилиндровите мотори на M GmbH, с които се оборудват BMW X5 M и X6 M. Те са снабдени с кръстосан изпускателен колектор, който позволява на Twin Scroll компресора да черпи отработени газове от цилиндрите на двата блока, работещи в противофаза.
Променливата геометрия на работните части в турбонагнетателя е друг способ за постигане на ефективност в целия оборотен диапазон на двигателя. Специални лопатки във вътрешността на "охлюва" изменят положението си в зависимост от скоростта на въртене на коляновия вал и така формата на соплото варира. Резултатът е "супертурбина", която снабдява двигателя с допълнителен въздух при всякакви обороти. Тази идея не е нова, но реализирането є стана възможно неотдавна. Първоначално турбокомпресорите с променлива геометрия намериха приложение в дизеловите мотори, тъй като температурата на техните отработени газове е по-ниска. Пример за бензинов автомобил с такъв нагнетател е Porsche 911.



Широкото приложение на турбокомпресора през последните години се обяснява не само с повишаването на мощността, а и с потенциала му в областта на екологията и намаляването на разхода на гориво. Огромните възможности за намаляване на вредните емисии обяснява защо днес практически няма дизелови двигатели без принудително пълнене. С помощта на нагнетателя пък бензиновите мотори лесно превръщат и най-скромните малолитражки в истински оси на пътя.




Източник: Вестник "Авто Пазар"