Корки Белл - Maximum Boost Турбонаддув (Будущее турбонаддува) Глава 16

(1)
0
1567

При помощи турбонаддува, эффективный, отвечающий требованиям к выхлопу автомобиль сегодняшних дней улучшил свои характеристики больше чем любой другой класс транспортных средств за все время.

Автомобильные инженеры создали набор средств управления с такими исключительными технологиями, что сегодняшний мощный уличный автомобиль может иметь меньший расход топлива, чем вчерашний экономичный автомобиль, а сегодняшний экономичный автомобиль часто может быть мощнее вчерашнего суперкара. Высокие технологии, примененные к поставленной задаче автомобильными инженерами, постоянно расширяющими границы, дали результат в виде многочисленного парка автомобилей, которые лучше функционируют, более экономичны, имеют больший ресурс, требуют меньшего обслуживания, и при этом доставляют удовольствие от их вождения. Что сделали специалисты, чтобы достичь таких успехов? Они изобрели новое оборудование. Они хорошо его оптимизировали и настроили его в строгих рамках. Оно изготовлено под строгим контролем и является высо-конадехсным. Нет никакого сомнения в высокой надежности электронных систем управления двигателем по сравнению с контактными системами зажигания, распределителями зажигания и карбюраторами. Технологии, развитые, чтобы отвечать сегодняшним требованиям, прежде всего, представляют собой электронную систему впрыска топлива, микропроцессорное управление углом опережения зажигания, обратную связь по датчику кислорода и каталитический нейтрализатор.

Комбинация этих четырех пунктов - ключ к получению высоких характеристик автомобиля и экономии, в которой мы нуждаемся для обеспечения низких выбросов. Все эти пункты имеются и у aftermarket производителей. Технически возможно использовать эти элементы оборудования, тщательно их настраивать, и создавать полностью серти- фицированное транспортное средство в рамках технических требований. Для начала нужно, во-первых, узнать эти правила. Следуйте им, изучите их, и пусть они будут руководящим принципом, по которому создан проект.

Будущее

Это интересное время для автомобилей с высокими характеристиками. Инженерные разработки, качество, высокие характеристики, экономичность, низкие выбросы и высокая долговечность - все это будет и далее совершенствоваться. Кажется, мы только познакомились с новой моделью автомобиля, как тут же появляется другая, а предыдущая становится старой и неактуальной. Поэтому предсказание пути развития систем турбонадцува и всего связанного с ними становится временным и вызывающим сомнения. Если все это произойдет, а так скорее всего и будет, большая работа будет проделана в трех различных областях: турбонагнетатель, оборудование, относящееся к турбонагнетателю, и соответствующие требованиям двигатели.

Усовершенствование турбонагнетателя

Любое усовершенствование турбонагнетателя было бы нацелено на то, чтобы заставить его быстрее достигать скоростей, на которых он начинает создавать давление наддува. Если турбонагнетатель можно было бы сделать мгновенно отзывчивым, форма кривой крутящего момента обычного атмосферного двигателя и двигателя с турбонадцувом была бы по существу одной и той же. Это - желаемая цель. Так как достичь этого пока еще не возможно, развитие турбонагнетателей пойдет по двум направлениям: потери в подшипниках и корпус турбины с переменным отношением A/R.

Потери в подшипниках

Мощность, потраченная впустую в подшипниках турбонагнетателя это потери на трение в масляной пленке в подшипнике при вращении вала. Эти потери являются относительно большими на низких скоростях вращения, когда мы располагаем небольшой энергией выхлопных газов, чтобы привести турбину в действие, но их доля снижается до достаточно низкого значения на высоких скоростях вращения. На высоких оборотах достаточно энергии выхлопных газов, чтобы турбонагнетатель работал столь быстро, чтобы пугать большинство журналистов. Фактическая мощность, потерянная в подшипниках, тем не менее, достаточна, чтобы косить лужайку у дома.

sharikovue

Шарикоподшипниковая опора вала турбонагнетателя. 

Если эти потери мощности можно было бы использовать для раскручивания турбонагнетателя на низких оборотах, раскрутка турбины происходила бы гораздо быстрее. Подшипники низкого трения могут быть реализованы тремя способами: валы меньшего диаметра, шарикоподшипники или воздушные подшипники. Каждый из этих путей имеет свои проблемы. Валы меньшего диаметра создают более высокие нагрузки в подшипниках и ухудшают критические частоты вибрации. Необходим серьезный инженерный подход, чтобы заставить их работать.

c7fda3u 960

Поперечный разрез современного турбонагнетателя

Шарикоподшипники сулят большие перспективы в области снижения трения. Жесткий контроль качества, необходимый, чтобы подшипники работали при высоких скоростях вращения вала турбонагнетателя - серьезная задача для инженеров-технологов. Это возможно и конечно будет сделано в один прекрасный день и будет доступно нам для использования. Готовность некоторых автопроизводителей потратить лишние двадцать пять долларов на автомобиль для усовершенствования качества шарикоподшипников с низким трением в турбонагнетателе - ситуация, которая приближается с каждым днем. Высокие характеристики теперь столь же конкурентоспособны как любое другое качество автомобиля.

Воздушные подшипники могут быть использованы в определенных узлах, где стоимость становится менее важным фактором. Технология изготовления воздушных подшипников хорошо разработана, но контроль качества снова становится серьезным барьером для массового производства. Это подшипники с самым низким трением и их применение привело бы к существенному улучшению характеристик турбонагнетателей.

Глядя на сегодняшние мировые технологии в производстве, можно выбирать шарикоподшипники как дальнейшее развитие турбонагнетателя.

Корпус турбины с изменяемым соотношением A/R

При других неизменных параметрах, меньшее соотношение A/R кожуха турбины понижает обороты, при которых турбонагнетатель начинает создавать давление наддува. Это же самое низкое соотношение A/R кожуха турбины вызовет все более и более возрастающее обратное давление выхлопных газов, когда количество выхлопных газов будет возрастать при увеличении оборотов двигателя. Большие соотношения A/R обеспечивают большую мощность из-за уменьшенного обратного давления, но точно не подходят для работы на низких оборотах.

Хотя и не гак широко как хотелось бы, но выпускаются турбонагнетатели, имеющие конструкцию, обеспечивающую малое A/R на низких оборотах двигателя и большое A/R при более высоких оборотах.

Такая конструкция называется кожух турбины с переменным A/R. Она действительно предлагает достоинства и большого и маленького соотношения A/R в одном турбонагнетателе. Турбонагнетатель такой конструкции становится еще ближе к мгновенному отклику, который мы хотим получить. Она также позволяет получить кривую крутящего момента по форме близкую к кривой крутящего момента двигателя большого объема на низких оборотах. Вероятно, популярны будут два типа агрегатов с переменным соотношением A/R. Относительно простая конструкция раздвоенного кожуха турбины - недорогой механизм, который может оказаться адекватным, когда оценены все его качества.

48d72cas 960

Поперечный разрез турбонагнетателя с Twin scroll turbine housing.

Другая конструкция - VATN (variable area turbine nozzle, сопловой аппарат турбины переменного сечения). VATN затмевает все другие варианты конструкции настолько, что является выигрышным билетом.

Twin scroll turbine housing (Раздвоенный кожух турбины) или TST

Раздвоенный кожух турбины получил свое название из-за геометрии входного отверстия для выхлопных газов в турбину. Используются два канала различного размера, первичный и вторичный. Как правило, первичный канал открыт на низких оборотах, а на высоких оборотах открыты оба канала. Это обеспечивает TST возможность иметь низкое A/R на низких оборотах и большое A/R на более высоких оборотах двигателя.

Конструкция TST представляет интерес потому, что она предлагает лучшую комбинацию реакции турбонагнетателя на низких оборотах и высокой мощности на высоких оборотах двигателя. Было бы трудно создать систему, управляющую наддувом, путем изменения A/R. Поэтому нам все еще необходим вестгейт для управления давлением наддува. Простота раздвоенного кожуха турбины - важное кале ство этой системы.

Variable area turbine nozzle (сопловой аппарат турбины переменного сечения)

VATN - абсолютно новое слово в турбонадцуве. Лопатки VATN поворачиваются, изменяя площадь через которую протекают выхлопные газы, при этом изменяется скорость выхлопных газов на входе в рабочее колесо турбины, и таким образом изменяя скорость ее вращения. VATN имеет несколько интересных особенностей: система работает с низким соотношением A/R когда это необходимо, а когда нужно - с большим A/R, при этом система обеспечивает плавное изменение A/R между этими двумя крайними точками. VATN может создать такое большое соотношение A/R, что скорость турбины во всем рабочем диапазоне будет управляться только путем изменения соотношения A/R. Таким образом система VATN становится системой управления давлением наддува, и теперь нам не нужен вестгейт. Когда в системе нет вестгейта, вся энергия выхлопных газов доступна для привода компрессора, и термин "waste" - "отходы" можно забыть.

Характеристики турбины теперь могут иметь совершенно другие значения. Так как скорость турбины теперь всегда управляется при помощи VATN, соотношение A/R всегда будет наибольшим для данного давления наддува. Если бы A/R было меньше, скорость турбины увеличилась бы, создавая большее давление, которое подняло бы скорость турбины, которая снова поднимет давление. Это позволяет обеспечивать минимальное обратное давление выхлопных газов для любого заданного давления наддува. При этом возможна ситуация, когда противодавление на выходе газов будет меньше чем давление наддува. Когда происходит этот "переход", увеличение мощности переходит на новый уровень. Это условие вообще не выполнимо с обычными турбинами без применения турбины настолько большой, что она становится бесполезной на низких оборотах.

Успех VATN прямым образом зависит от правильного положения лопаток в нужное время, которое зависит от "интеллекта" контроллера положения лопаток. Изменяющиеся условия нагрузки требуют, чтобы контроллер обеспечивал правильное A/R именно для данных условий. Условия нагрузки на установившемся режиме требуют, чтобы лопатки были полностью открыты для обеспечения наименьшего возможного обратного давления. На открытие дроссельной заслонки регулятор должен обеспечить требуемый наддув и закрывать лопатки, чтобы позволить турбине увеличить скорость вращения настолько быстро насколько это возможно. Как только достигнут желаемый уровень наддува, лопатки постепенно откроются при повышении частоты вращения двигателя, чтобы управлять скоростью турбины и таким образом давлением наддува. 

    21

Работа системы VATN. Когда сопловые аппараты почти закрыты (слева), скорость выхлопных газов высока и это обесеиивает раскрутку турбнагнетателя на низких оборотах двигателя. Когда обороты двигателя увеличиваются, а с ними увеличивается коли чество выхлопных газов - лопатки соплового аппарата открываются (справа).

Должен быть обеспечен достаточный диапазон поворота лопаток, дпя того, чтобы двигатель достигал максимальных оборотов прежде, чем лопатки будут полностью открыты. Теперь совершенно ясно, что контроллер VATN является ключом к тем выгодам, которые можно получить от применения VATN.

турбина 2

Время реакции VATN-турбонагнетателя и обычного турбонагнетателя. Время, требуемое VATN, чтобы создать, давление, составляет приблизительно половину времени требуемого для стандартного турбонагнетателя.

геометрия в разрезе

Поперечный разрез турбонагнетателя с системой изменяемой геометрии турбины. Сложность  - плата за отличную реакцию турбонагнетателя.

Выбор размера турбонагнетателя

Немногие из сегодняшних автомобилей с турбодвигателями оборудованы турбонагнетателем требуемого размера. Причина этого - неправильное понимание маркетологами желаний конечного пользователя. Конечный пользователь хочет мощный автомобиль, а не тот, который может создать наддув на низких оборотах. Когда и если основные автопроизводители установят размеры турбонагнетателей дня энтузиастов, мы увидим увеличение мощности, уменьшение температуры на впуске, хорошую эластичность, и вообще улучшение в разумных безопасных пределах - все это возможно при простом изменении размеров турбонагнетателя.

Керамические турбины

Значительное сокращение момента инерции турбонагнетателя может быть достигнуто путем применения керамических материалов вместо металла для изготовления рабочего колеса турбины.

график турбины

 Керамическая турбина меныиего веса обеспечивает быструю раскрутку турбо нагнетателя до рабочих оборотов. 

Хотя это и прекрасная идея улучшает отклик турбонагнетателя, керамическая турбина является дорогой и хрупкой. Уже сейчас керамические турбины доказывают свое превосходство над традиционными.

Композитные материалы

Углеродные композитные материалы имеют высокую прочность и соотношение прочности к весу. Возможность снижения инерции рабочего колеса компрессора при применении композитных материалов, кажется привлекательной. Дальнейшее сокращение инерции компонента с самой низкой инерцией в турбонагнетателе возможно заслуживает внимания, но логичней сначала улучшить слабые места, а колесо компрессора - не самое слабое место.

Общие улучшения. Без торжественных фанфар, соответствующих внедрению революционных компонентов, большинство деталей в турбонагнетателе будут становиться все эффективней и надежней. Потери в подшипниках будут ползти вниз, инерция вращающихся масс уменьшится, отвод тепла улучшится, эффективность турбины и компрессора будет медленно, но уверенно улучшаться. Стабильный прогресс, но никаких серьезных изменений.

Оборудовние, относящееся к турбонагнетателю

Промежуточное охлаждение

Хотя научные основы промежуточного охлаждения известны автомобильным конструкторам всего мира, следующие несколько лет должны продемонстрировать значительные усовершенствования в этой области. Усовершенствования будут выражены изменением в компоновке. Когда одна из крупнейших автомобильных компаний строит автомобиль, который она называет Супер Купе, и размещает интеркулер в таком месте, что единственный путь для охлаждающего воздуха проходит через радиатор системы охлаждения и радиатор кондиционера, это проблема компоновки. Возможно, что интеркулеры с холодильником могут однажды получить практическое применение. Потребуются новые процессы и методы, поскольку холодильные компрессоры потребляют больше мощности, чем могут добавить лучшие интеркулеры. 

111111

Возможно турбонагнетатели будущего заимствуют конструкцию этого проекта, с изменяемой геометрией турбины и осевой ступенью компрессора, расположенной перед центробежной ступенью.

Периодически подключаемый интеркулер, когда нагнетаемый воздух направляют непосредственно в двигатель на всех давлениях наддува, когда нет необходимости в охлаждении, может однажды улучшить отзывчивость всей системы.

Управление давлением наддува

Правильное управление вестгейтом может сделать турбину более отзывчивой, а так же улучшить кривую крутящего момента. В то время как на максимальную мощность повлиять можно незначительно, кривая крутящего момента с приподнятым одним или обоими концами, позволила бы автомобилю быть более динамичным. Электронное управление сигналом привода вестгейта будет той основой, которая обеспечит эти улучшения. Обычные вестгейты начинают открываться в точке значительно ниже желаемого наддува и затем ползут к положе- нию, требуемому для управления давлением наддува. Такое раннее открытие отнимает у турбины полезную энергию, из которой можно было бы извлечь пользу, увеличив скорость вращения. Наличие вестгейта, который открывается и пускает в обход турбины существенную долю энергии, когда турбина нуждается в ней - изначально является не совсем рациональным. Электроника изменит эту ситуацию. Подъем нижнего конца кривой крутящего момента или сглаживание ровного участка на этой кривой может быть достигнуто программированием сигналов наддува. Так же могут быть запрограммированы различные уровни наддува дня разных передач.

Система выпуска

Фактически все выхлопные системы, выпускаемые в настоящее время, чрезмерно ограничены. Создаваемое выхлопной системой обратное давление совершенно ненужно. Возможно создать тихую выхлопную систему с низким обратным давлением такой же стоимости, как и те, которые неудачно спроектированы. Это позволило бы тем же самым системам турбонаддува работать с той же самой мощностью с более низкой температурой, меньшим наддувом, и намного большим диапазоном безопасной работы.

rb26 soutyaku big

 Двигатель Nissan RB26DETT разработан для автомобиля Nissan Skyline GTR. Оснащен двумя турбонагнетателями и нацелен на высокую мощность. Все в его конструкции подчинено поставленой цели.

Двигатель

Разработанный с "чистого листа" двигатель для турбонаддува не слишком сильно отличался бы от обычного.

Однако изменились бы многие детали:

• взаимное расположение турбонагнетателя и каталитического нейтрализатора было бы сделано наоборот, чтобы уменьшить вредные выбросы при холодном запуске. При этом, конечно, страдала бы реакция турбины, но турбонагнетатель, оснащенный VATN, исправил бы ситуацию и восстановил бы потерянную реакцию.

• Частота вращения двигателя, вероятно, была бы уменьшена. С увеличением крутящего момента в широком диапазоне оборотов, обеспечиваемым турбонагнетателем, высокие обороты больше не нужны, чтобы развить требуемую мощность. Более низкие частоты вращения двигателя уменьшили бы также вес деталей и трение.

• При более низких частотах вращения двигателя мы получаем возможность использовать в своих интересах двигатели с более длинным ходом и меньшим диаметром цилиндра. По причинам, захороненным в туманных глубинах термодинамики, двигатели с более длинным ходом могут иметь большую топливную экономичность.

• Меньшие впускные и выпускные каналы улучшили бы характеристики крутящего момента на низких оборотах двигателя, обеспечивая более высокие скорости воздушного потока на впуске, таким образом, улучшая наполнение цилиндров за счет увеличенного импульса движущейся массы воздуха. Турбонагнетатель будет обеспечивать крутящий момент в остальном диапазоне оборотов двигателя.

• Число соединительных элементов "головка цилиндра - блок" должно быть увеличено. Большее количество меньших шпилек, скажем шесть на цилиндр, можно было бы установить из-за уменьшенных размеров каналов впуска.

• С высокой температурой будут иметь дело, по крайней мере, два изменения. Во-первых - распыление масла на днище поршней или каналы для масла в поршнях могут значительно увеличить стойкость поршней к перегреву, уменьшая рабочие температуры. Во-вторых, выпускной канал будет теплоизолирован, чтобы уменьшить теплопередачу к головке блока и охлаждающей жидкости. Это ускорит включение катализатора (время реакции катализатора, для достижения минимальной рабочей температура при холодном запуске), уменьшит размеры радиатора, и сохранит высокую температуру газов для улучшения реакции турбины. • Электронные системы управления будут играть еще большую роль в управлении двигателем с турбонаддувом. Функции сегодняшних систем управления двигателем будут расширены для управления системой VATN, давлением наддува, и, конечно, опережением зажигания и топливоздушной смесью, поскольку они влияют на детонацию .

 

Прочитано 1567 раз

Понравилось?! Не забудь поделиться! ;-)

    

Есть что рассказать? Тогда вам сюда...

--->

Мы в соцсетях