VNT турбокомпресорите и новаторите от Garrett, Fiat, Honda и Peugeot
В тази част на поредицата за турботехнологиите ще ви разкажем за технологиите за повишаване на ефективността на турбокомпресорите чрез гъвкаво насочване на потока на отработилите газове с цел оптимално извличане на тяхната енергия. Най-често наричат тези агрегати „турбокомпресори с променлива геометрия”, но има и редица други имена с подобен смисъл, зад които се крие един и същи принцип.
Нееднократно споменавахме проблемите с недостатъчното количество отработили газове за задвижване на турбокомпресора при ниски оборотни режими. Говорихме и за сложните технологии за байпасно регулиране, за каскадното пълнене и за смесените механично-турбо системи, всяка от които търси решение на проблемите по различен начин и постига различни крайни резултати.
През цялата история на развитието на турботехнологиите са създавани и огромен брой проекти, целящи оптимизиране на работата на самите турбокомпресори чрез различни повече или по-малко оригинални конструктивни решения. В това отношение фантазиите на инженерите са безгранични, но не непременно ползотворни – има безброй патенти за всевъзможни типове турбокомпресори с променлива геометрия (които тук условно ще наричаме с едно от названията им - VTG или Variable Turbo Geometry), които вероятно завинаги ще останат в папките на патентните ведомства.
Изумителното в случая е в това, че на фона на всички научни постижения в областта на металургията и химията и въпреки създаването на леки термоустойчиви материали и свръхбързи управляващи електронни устройства, в момента все още има само една действително успешно функционираща и надеждна конструктивна схема. Тя е създадена от Garrett (сега част от концерна Honeywell) и е внедрена за първи път в едросерийното производство в дизеловата моделна гама на VW и Audi през деветдесетте години. Системата VNT (Variable Nozzle Turbo) направлява газовете към турбината с помощта на подвижни лопатки и всъщност е най-ефективната и смислена разработка в тази област до ден-днешен.
Процесът на създаване на VNT трае дълги години и се сблъсква с множество проблеми от рода на недостатъчно издръжливи материали и липса на възможности за бързо и гъвкаво управление. Технологичният пробив идва чак в началото на 90-те с появата на подходящи конструктивни материали, бързи микропроцесори и най вече – благодарение на високоефективните дизелови двигатели с директно впръскване под високо налягане, ниска температура на отработилите газове и малки количества от опасните за механизма сажди. Широкото навлизане на VTG-технологиите на свой ред се превърна в основа на ренесанса на дизела в края на 90-те години, когато навлизането на системите Сommon Rail и помпа-дюза разгърна потенциала на моторите при едновременно намаляване на температурата (до около 700 градуса) и съдържанието на твърди частици в отработилите газове. В същото време мощни електронни системи за мениджмънт на процесите в двигателя позволиха бързото управление на направляващите лопаткови механизми, изработени от специални високолегирани стомани.
Днес доминиращите в сегмента на дизеловите двигатели VTG-технологии все още са рядкост при бензиновите мотори. Porsche, които упорито твърдяха (след множество неуспешни опити), че променливата геометрия няма място в бензиновите турбомотори, изиграха ролята на пионер в серийното им вграждане, а десет години по-късно VW ги пренесе в едросерийното производство с двигателя си EA 211 evo.
Назад към историята
Корените на създадената от Garrett технология всъщност могат да бъдат открити в Япония още през „далечната” 1985 година под формата на конструиран от Mitsubishi опростен турбоагрегат за двигатели на лекотоварни автомобили с механизъм за направляване и регулиране на потока отработили газове. По същото време подобни устройства създават и инженерите на германската компания ККК (сляла се в края на 90-те в обединението BorgWarner Turbo Systems заедно със Schwitzer), както и IHI - другата реномирана японска марка в областта на турботехнологиите. За съжаление опитите на тези компании остават в чисто изследователската сфера, а дори и известните със смелите си прогресивни разработки британци от Holset не успяват да създадат достатъчно ефикасен и надежден турбокомпресор с променлива геометрия. По това време в отработилите газове на дизеловите двигатели за товарни и леки автомобили все още има твърде голямо количество сажди, които са буквално убийствени за фините детайли на направляващия механизъм.
Първата поява на турбокомпресор с променлива геометрия в сериен лек автомобил става възможна през 1989 година, когато Garrett инсталират свой агрегат в двулитровия двигател на Fiat Croma. Този мотор всъщност е и първата монтирана в сериен лек автомобил дизелова машина с директно впръскване, макар мнозина да считат за пионери в тази насока Audi с техния TDI.
Причината за тази заблуда е пределно проста - за съжаление на създателите му, този двигател не се оказва успешен и проблемът далеч не се корени в турбокомпресора. Виновни са обилните количества сажди, с които VTG-механизмът успява да се справи, но които стават причина за неизпълнение на въведените по това време екологични нормативи. Турбокомпресорът върши брилянтно своята работа, а специализираната преса не пести суперлативите си по отношение на бързата реакция на двигателя в ниските оборотни режими. Независимо от проблемите с емисиите на двигателя, технологията на Garrett доказва правото си на съществуване и компанията не се колебае да поеме предизвикателството за превземане на световните пазари, а сред първите успешни серийни образци са някои от TDI-моделите на VW и Audi.
Първият сериен двигател с технология Сommon Rail (Alfa Romeo 2.4 JTD) също ползва предимствата на VNT, a след него турбокомпресорите с променлива геометрия са приложени успешно и при появилите се през 1997 г. големи осемцилиндрови Сommon Rail двигатели на Audi, Mercеdes и BMW.
До 1998 г. американците от Garrett на практика са единствените, които произвеждат турбокомпресори от този вид в големи серии, закономерно и справедливо усвоявайки лъвския пай от печалбите в условията на настъпилия по това време бум на продажбите на дизелови автомобили. Справедливо, защото именно упоритостта на Garrett направи тези технологии общодостъпни. Другите производители настъпиха масирано в тази област едва през последните години, а днес VTG -компресорите вече са по-скоро правило, отколкото изключение.
VNT: Принципът на работа
на тези агрегати се основава върху възможността за регулиране и направляване на потока отработили газове с помощта на множество вградени в корпуса на турбината лопатки. Лопатките се отварят или затварят радиално по отношение на входа на турбината и по този начин изменят сечението на пространството, в което се движат газовете. Логично е турбокомпресорите от този вид да са с увеличени габарити – не само поради наличието на допълнителен механизъм, но и защото този тип конструкции правят (успешен) опит за шпагат между ефективността и капацитета на големите компресори и бързата реакция на малките. Тъй като малките компресори така или иначе реагират бързо, VNT-механизмите се прилагат преди всичко към агрегатите за принудително пълнене с по-голям относителен дебит.
Ето какво се случва на практика. При малък отвор между лопатките в корпуса газовете се ускоряват (следвайки принципа на Бернули) и атакуват с висока скорост лопатките на турбината във външната им част под ъгъл, позволяващ по-пълно усвояване на енергията им, с което спомагат за оптимално сработване на компресора. При отварянето на лопатките (в случай на голямо натоварване, респ. наличие на отработили газове с голям дебит) ъгълът става все по-остър и по-голяма част от газовете се отправят покрай турбината към изхода. При оптимална настройка те отдават достатъчна част от своята енергия, а поради големия размер на турбината и сечението на отвора противоналягането и загубите от съпротивление на газовете намаляват.
Така се постига т. нар. „кръгово натоварване”, благодарение на което отпада необходимостта от байпасни клапани. В някои режими на работа обикновеният турбокомпресор има по-висок КПД от VTG-агрегата, което е напълно логично, тъй като лопатковият механизъм сам по себе си представлява допълнително препятствие по пътя на газовете. КПД на VTG-компресорите обаче е значително по-висок като цяло по също толкова логични причини, основаващи се на взаимодействието двигател-компресор. С течение на годините задвижването на лопатките преживя еволюция от пневматично през електрическо до хидроелектрическо.
VNT системи в бензиновите мотори
Внедряването на VTG-системи в бензиновия двигател също преминава през няколко етапа – примитивни устройства от този тип използваха Honda, Mazda и Peugeot, но при нито едно от тях принципът не е приложен в пълнота посредством „многолопатъчната” схема на Garrett, която е внедрена в същинския си вид едва при Porsche 911 Turbo през 2007 година.
Споменатите три опита приключват скоропостижно през 90-те, но си остават доста любопитни от техническа гледна точка. В турбокомпресора на Honda Legend от периода 1987-1990 година газовете се управляват с четири „чупещи се” двойни лопатки (едната част от които се измества по оста), при варианта в Mazda RX-7 същият ефект на ускоряване се постига с пренасочване на газовете през един или два канала, а двулитровият турбоагрегат на Peugeot 405-Т16 развива мощност от 198 к. с. и въртящ момент от 288 Нм още при 2600 об./ мин благодарение на устройство за управление на отработилите газове с една-единствена голяма лопатка - единствено възможно от термична гледна точка решение на тогавашния етап от технологичното развитие. Още по онова време Peugeot 405 T16 предлага и популярната днес overboost функция, позволяваща кратковременно нарастване на мощността и въртящия момент до 220 к. с., респ. 318 Нм.
По-бързото навлизане на VTG при дизеловите двигатели е съвсем логично - не само заради по-ниската температура на отработилите газове, но и защото турбокомпресорът е единственият начин за сериозно увеличение на мощността при тези машини. Това автоматично поставя условието за използване на по-големи компресори, а VTG-агрегатите все още са по-компактното и евтино решение от каскадното пълнене. Разбира се, тези дадености не са пречка пред експериментаторския дух – преди 10 години PSA съвместно с Honeywell пуснаха нова версия на 2,2-литровия HDI със система от два паралелни турбокомпресора, при която целият поток от отработили газове в ниски оборотни режими се насочва само към единия. Що се отнася до бъдещето на VTG при бензиновите двигатели, то пробивът на VW може би поставя истинското начало на този вид пълнене в даунсайзинг агрегатите.
Текст: Георги Колев
минаващ
По повод твърдението "то пробивът на VW може би поставя истинското начало на този вид пълнене в даунсайзинг агрегатите" бих искал да уточня, че Фолксваге преустанови разработките на даунсайз двигателите , като безперспективно