Управление на турбокомпресора, кинетична и топлинна енергия на газовете
Интегрираната система от двигател с вътрешно горене и турбокомпресор става все по-хармонична благодарение на внедряването на високотехнологични материали и прецизен електронен контрол на работата и взаимодействието между двата агрегата
Налягането във всмукателните колектори на съвременните турбодвигатели рядко надвишава стойност от 1,2 Бара. За сравнение ще споменем факта, че в екстремните агрегати от Формула 1 по време на турбоерата този параметър е достигал максимум от 4,5 бара...
Абсолютни рекордьори в това отношение обаче са двигателите на една изключително екзотична порода превозни средства. Всъщност определението „превозни средства” при тях не е особено точно, защото служат за всичко друго, но не и за превоз. Става дума за гигатските трактори, използвани за надпревари в дисциплината „tractor pulling” – своеобразен моторен спорт, състоящ се в изтегляне на определена голяма тежест на колкото може по-голямо разстояние. При тези чудовища естествено се използват дизелови двигатели, тъй като бензиновите агрегати биха имали сериозни проблеми с детонациите при нивата на налягане, за което ще стане дума. Освен това в този случай дизелите работят с необичайно богати и нетипични за естествената природа на тези машини смеси, което веднага проличава по бълваните от гигантските ауспухови тръби тъмночерни облаци дим. Но да се върнем на основния въпрос – с помощта на специално конструирани и свързани по двойки в каскадна система турбокомпресори, налягането може да се мултиплицира и понякога да надхвърли умопомрачителната стойност от 11 Бара!
Гъвкавият турбокомпресор
Бракът между турбокомпресора и двигателя с вътрешно горене е връзка между доста опърничави и своенравни партньори и още първите разработки в тази област се сблъскват с трудната им технологична съвместимост. Работата е в това, че поради своята природа и конструкция, турбокомпресорът предоставя твърде малко сгъстен въздух при ниски обороти и ниско натоварване на двигателя, а при високи обороти и високо натоварване бълва много излишен въздух с всички произтичащи от това проблеми. Един от тях е т. нар. „турбодупка”, изходът от която по принцип се търси в регулиране на въздушния поток с помощта на система от байпасни клапани. С тяхна помощ отработилите газове се насочват през и около турбината, а управлението се извършва на базата на параметри като налягането във всмукателния колектор или дебита на всмуквания свеж въздух. В процеса на развитие на турботехнологиите с течение на годините, освен внедряването на нови материали и увеличаването на ефективността на турбината и компресора с оптимизиране на тяхната конструкция, изключително важна роля играе усъвършенстването на управлението му с прилагане на модерна електроника.
Ако трябва да бъдем пределно точни, дори и най-първите турбокомпресорни агрегати са разполагали със своеобразна примитивна система за регулиране. Агрегатите като този на BMW 2002 Turbo използват наистина крайно опростен механизъм за регулиране на налягането на сгъстения въздух – излишъците се освобождават директно в моторния отсек с помощта на клапани на всмукателния колектор. При тази система целият поток от отработили газове преминава свободно през турбината без възможност част от него да бъде отклоняван при големи натоварвания, което налага последната да бъде изчислена и конструирана така, че да издържи подобна по мащаб атака, т. е. тя трябва да бъде масивна и голяма, респ. инертна и флегматична в реакциите си. Резултатът е легендарната по размери турбодупка при BMW 2002 Turbo...
Този тип негативи бяха постепенно отстранени или заобиколени именно с прилагане на системи за регулиране на налягането. Идеята за използване на малки, бързореагиращи турбини идва относително рано, но за съжаление дълго време те остават неефективни при големи натоварвания. Принципът на „освобождаване на напрежението” също се използва от самото начало – още първият автомобил с турбокомпресор Chevrolet Corvair Monza разполага с клапан, управляван от свързан с всмукателните колектори мембранен механизъм, който при нужда пропуска част от отработилите газове директно покрай турбината. Към доста по-усъвършенстван вид на същата принципна схема прибягват и конструкторите на Porsche 911 Turbo през 1975 година, а по-късно всички създатели на турбодвигатели прилагат малко или повече подобни методи за регулиране на налягането от рода на споменатите по-горе байпасни клапани.
Днес системите за регулиране на налягането се приемат за неразделна част от блока за управление на двигателя, а в бензиновите агрегати тe са и съществена част от процеса на регулиране на детонациите. Пионер в това отношение както вече споменахме са Saab с тяхната система APC (Automatic Performance Control) която регулира налягането на компресора до границата, след която горивото вече се възпламенява с детонации. През 1983 година подобен тип управление на процесите внедрява в модела си 745i и BMW, като при създадената от Bosch система, на всяка работна точка на натоварването в електронната карта на характеристиките отговаря точно определено налягане на турбокомпресора в зависимост от ъгъла на дроселовата клапа.
С представянето на своята гъвкава система за регулиране на принудителното пълнене в модела 944 Turbo, още през 1985 година Porsche използват т. нар. overboost-режим, който позволява кратковременно повишение на налягането над стойността при пълно натоварване. Системата може да се задейства при необходимост от внезапно изменение на ускорението, какъвто е случая при изпреварване например, а активирането й най-често става с по-рязко или силно натискане на педала на газта. Такава функция впоследствие се появява и при други модели като Volvo 850 T-5R, Audi Quattro, в модели на Lancia, Peugeot и Ford, а при Porsche се превръща в неразделна част от турбосистемата. През 1989 година в модела си 2000 Quattro 20V Audi добавя и възможност за обогатяване на сместа при големи натоварвания, която изпълнява ролята на междинен елемент в схемата за регулиране на налягането преди да започнат интервенциите с намаляване ъгъла на изпреварване на запалването и снижаване на налягането на турбокомпресора. Тук сме длъжни да ви припомним, че точно това обогатяване в голяма степен вече се избягва при директното впръскване на бензин. Именно възможността за допълнителна оптимизация и регулиране на потока на газовете дава възможност на редица тунинг-фирми да предлагат възможност за управление на максималното налягане от водача по начина, по който това е ставало през турбоерата във Формула 1.
Няколко години след появата на 2000 Quattro 20V, Audi внедрява в производството и първата самообучаваща се система за регулиране, която постоянно изследва границата на детонации и на базата на тези данни осигурява оптимален баланс между налягане на турбокомпресора и ъгъл на запалване в зависимост от качеството на горивото. Днес повечето системи за регулиране работят на базата на предварително зададени параметри в електрониката базирани на огромен брой теоретични и практични анализи без йонизационни датчици – така функционира например новият двигател с променлива степен на сгъстяване VC-Turbo на Nissan/Infiniti. Първите механично-пневматични уредби са по-възрастни от електроните системи за регулиране от последно поколение само с няколко десетилетия, но във функционално отношение и полза от прилагането им те са напълно несравними. В процеса на тази еволюция са се раждали и несъмнено ще продължат да се раждат и идеи встрани от общата тенденция.
Разнообразни решения
Историята например познава системи без регулиращи байпасни клапани от типа на използваната в 2,3-литровия турбодизелов двигател на Mitsubishi от 1981 година, която използва само въздействие чрез намаляване на количеството впръскано гориво. Saab също изумява света с версията на трилитров бензинов двигател с турбокомпресор без система за регулиране на налягането, представена през есента на 1997 година в гамата на модела 9-5. Това решение всъщност е един компромис от Saab – шестцилиндровият агрегат произхожда от Opel и е атмосферна машина, която не притежава издръжливостта на шведските мотори по отношение на възможността му за „тунинговане“. Затова турбокомпресорът му по начало е изключително слабо натоварен, а налягането, което създава, възлиза на едва 0,25 бара. „Фокусът” се основава на оригиналното инженерно хрумване турбината да се захранва само от единия цилиндров ред, но компресорът да пълни и двата. Главната цел в случая не е особено увеличаване на мощността – благодарение на високата базова геометрична степен на сгъстяване, големият работен обем и не на последно място поради интегралната конструкция на корпуса на турбината и изпускателните колектори, малкият компресор реагира изключително добре, спомагайки за формиране на извънредно хармонична крива на разгръщане на въртящия момент - още при 2100 об/мин двигателят достига въртящ момент от 310 Нютонметра. Оптимизацията за работа с ниско налягане почти до края на съществуването на марката Saab продължава да бъде основна философия при двигателите на голяма част от гамата на моделите му. Много близък феномен може да бъде открит и в далечна Япония, където за да се сдобиеш с автомобил с работен обем над 600 куб. см. трябва да удостовериш с документ, че разполагаш с място за паркиране.
Поради тази причина голяма част от автомобилния парк там се състои именно от автомобили с работна кубатура под критичната граница (така наречените Kei-cars), а турбокомпресорите се използват като ефикасно средство за балансиране на мощността и най-вече за подобряване на характеристиката на развитие на въртящия момент. Японците наричат този подход ”new concept turbocharging”.
В интерес на истината, драстичното увеличение на мощността не е основна цел и в някои по-ранни разработки на турбодвигатели. Превърналият се в жива легенда четирицилиндров петклапанов двигател на VW/Audi, който се появява на бял свят в модела A4 1,8Т през 1994 година и впоследствие се използва в другите марки и модели на концерна, изпълнява един невероятен „трик”, в който се корени и основната причина за пазарния му успех - 1.8Т не само достига максималния си въртящ момент от 210 Нм още при 1750 об/мин, но и успява да го запази на същото равнище чак до 4600 об/мин. Друг пример за подобна сдържана по отношение на мощността турбоконцепция е представеният през 1992 година двулитров четирицилиндров бензинов мотор на Citroen XM с мощност само 141 к. с., както и 6,8-литровият турбомотор на Bentley Brooklands от 1998 година.
В наши дни високоефективното турбопълненето вече е основен елемент от философията на даунсайзинга, термин, който практически загубва смисъла защото на практика изразяваше преминаването от атмосферни агрегати към по-ефективни и по-малки турбо машини – процес който на практика е приключил (моля вижте статията „Краят на даунсайзинга“ в този сайт).
Ефективният турбокомпресор: кинетична и топлинна енергия
На пръв поглед принципът изглежда ясно и просто - в процеса на изпускане газовете излизат от цилиндъра и се устремяват към лопатките, предавайки енергията си на тях. На практика обаче нещата се оказват малко по-сложни. В модерната ера на турбокомпресорите се използват два подхода за използване на съдържащата се в нагорещения поток енергия – т. нар. импулсно пълнене и пълнене с постоянно налягане. Пълненето с постоянно налягане използва топлинната енергия на газовете, която се освобождава в резултат от спадането на налягането и температурата до и след навлизането в турбината, а импулсното пълнене оползотворява кинетичната енергия, зависима от скоростта на вълната напускащите цилиндъра и попадащи върху лопатките на турбината отработили газове. В зависимост от вида на използваното пълнене се определя конструкцията на изпускателния колектор и корпуса на турбината.
За да се избегне взаимното влияние и гасенето на енергията на газовите потоци поради вълновия им характер, както и преминаването на газове от един цилиндър в друг, при импулсното пълнене са необходими отделни изпускателни тръбопроводи и многоконтурни входящи колектори на турбината. При подвеждане на отделните тръбопроводи е необходимо да се обединяват далечни от гледна точка на реда на запалване цилиндри - четирицилиндравият и шестцилиндровия двигател например се нуждаят от по два колектора, а петцилиндровият от три. Боксерните двигатели като тези на Porsche също са изключително подходящи за турбопълненe от този тип, защото последователността на работните тактове позволява натоварването на турбините на всеки блок цилиндри да става последователно и без взаимни влияния. При четирицилиндровите двигатели това се постига по-трудно, защото при тях се засичат отворени едновременно изпускателните клапани на два несъгласувани цилиндъра, но пък трицилиндровите са перфектни в това отношение поради голямото отстояние на фазите и липсата на припокриване на отварянето на клапаните и взаимно негативно влияние. Особено интересен в това отношение е ванкеловият двигател, който както показаха последните версии на Mazda RX7 Turbo се оказа изключително подходящ за принудително пълнене с турбокомпресор - първоначано турбината се „натоварва” с импулса на газовете, напускащи рязко отварящите се изпускателни процепи, а впоследствие получава равномерен натиск от допълнителното разширение на газовете.
Изискванията в термично отношение към изпускателните колектори и крепежните елементи в зоната преди компресора са много по-високи спрямо същите елементи при атмосферните двигатели, като основните причини са във високото противоналягане на турбината и увеличаването на температурите в тези зони. При бензиновите двигатели температурата на отработилите газове може да достигне стойност от над 1000 градуса, а тази на корпуса на лагера на турбината 400 градуса. Именно затова е много важно след интензивна работа всеки турбодвигател да бъде оставен да работи на празен ход за период между двайсет секунди и три минути, за да се охлади преди да бъде загасен - в противен случай смазката на лагера може буквално да крекира и да се превърне в кокс. За да се избегнат подобни рискове, турбокомпресорите на бензиновите мотори понякога се конструират с охлаждащи водни ризи, каквито Saab използва още от 1981 година. При съвременните бензинови мотори с директно впръскване и интегрирани в главата и охлаждани колектори термичното натоварване се намалява. При турбодизелите с директно впръскване, поради високия коефициент на полезно действие този проблем няма толкова съществено значение, защото температурата на отработилите газове рядко надминава границата от 700 градуса, корпусът на лагера не се нагрява до повече от 300 градуса и принудителното охлаждане не е задължително.
Текст: Георги Колев