Кто придумал турбину для автомобиля
История автомобильной турбины – от изобретений Бючи до современности
Опубликовано Master в 7 марта, 2019
История автомобильной турбины – это история изобретения, почти такого же старого, как двигатель внутреннего сгорания и сам автомобиль. Давайте пройдемся по ретроспективе и проследим этапы жизни одного из самых известных, увлекательных и полезных изобретений в автомобильной сфере, которое после более чем 100 лет концептуально не изменилось. В статье будут раскрыты следующие тезисы:
Первые турбины Бючи
Турбина с наддувом (современный вариант турбокомпрессора) был изобретен швейцарским инженером Альфредом Дж. Бючи, который работал над паровыми турбинами. В 1905 году Бючи подал патент на первую концепцию турбокомпрессора с приводом для отработанных газов – в механизме турбина и компрессор были механически связаны. Первые турбокомпрессоры были разработаны Бючи между 1909 и 1912 годами в исследовательском отделе Sulzer Brothers, специализированном экспериментальном центре города Винтертур, Швейцария.
В 1910 году был сконструирован первый двигатель с турбонаддувом: это был двухтактный двигатель компании Murray-Willat, производителя двигателей для самолетов, принявшего опыт инновационного изобретения инженера Бючи. Однако первый самолет, который начал летать в небе во время I мировой войны и приводимый в движение двигателями внутреннего сгорания, испытал значительное падение мощности на большой высоте из-за уменьшения плотности всасываемого воздуха, ограничивающего высоту полета.
Турбокомпрессор Бючи компенсировал разрежение воздуха, и, казалось, имел место для зарождающейся авиационной промышленности. В 1918 году специалист Сэнфорд Мосс из General Electric применил турбокомпрессор к двигателю для самолета «V12 Liberty» и проверил его в городе Пайкс-Пик, штат Колорадо, на высоте около 4600 м. С турбонаддувом мощность двигателя возросла до 377 лошадиных сил.
Срок службы первого дизельного двигателя с турбонаддувом был дольше: только в 1915 году Бючи сделал первый прототип, но он оказался недостаточно эффективным для поддержания адекватного давления наддува. Несмотря на некоторые ложные шаги и неуверенность в отношении этого нововведения, в области аэронавигации всё же были побиты рекорды высоты (до 1000 м). В 1925 году успешно применено на двух немецких судах дизельный двигатель с наддувом, который развил мощность 2000 лошадиных сил. В результате, многие инженерные компании Европы, США и Японии приобрели лицензию Бючи.
В 1930-х годах турбокомпрессоры с осевыми турбинами использовались в кораблях, железнодорожных вагонах и многих стационарных установках. В 1936 году Дж. К. Гарретт основал корпорацию Garrett, которая в ближайшие годы станет одним из крупнейших и наиболее важных производителей турбокомпрессоров.
Схема турбины с наддувом
Во время II Мировой Войны скоростные реактивные самолеты вытеснили самолеты с поршневыми двигателями: появление газовых турбин принесло большие достижения в технологии материалов и дизайна, что имело положительные последствия и в области турбин. Новые материалы, более устойчивые к высоким температурам выхлопных газов, и новые технологии обработки позволили разработать радиальные турбины, меньшие и легче, чем осевые, которые лучше подходили для двигателей небольших автомобилей. Именно тогда турбокомпрессор спустился с неба, чтобы покорить землю.
История автомобильной турбины
Начиная с 1950-х годов, крупные производители двигателей, такие как Volvo, Scania и Cummins, начали экспериментировать с двигателями с турбонаддувом для грузовых автомобилей, поставляемых Elliot и Eberspächer. Но эти ранние проекты были неудачными. Немецкий инженер Курт Бейрер разработал новый, более компактный дизайн, который впоследствии был принят корпорацией Schwitzer. Таким образом, в 1954 году и Cummins, и Volvo смогли предложить широкий ассортимент турбодизельных двигателей.
Как часто случается в автомобильном мире, стартовое применение нового устройства случилось на соревновании. В 1952 году первый автомобиль, оснащенный дизельным двигателем с турбонаддувом от компании Cummins, появился на гонке Indianapolis 500. Машина оставалась во главе гонки первые 160 км, пока кусок шины не повредил турбокомпрессор.
Переход турбокомпрессора с гоночных трасс на дорогу состоится только в 1962 году в США благодаря двум автомобилям группы General Motors – Oldsmobile «Jetfire» и Chevrolet «Corvair Monza». «Jetfire» был оснащен алюминиевым двигателем V8 (8 цилиндров) мощностью 3,5 и 215 л.с., а «Corvair Monza» плоским 6-цилиндровым двигателем мощностью от 2,7 до 150 л.с.
Автомобиль Jetfire от General Motors
Jetfire, чтобы ограничить явление детонации – основного технического ограничения двигателей с наддувом со степенью сжатия 10,25:1, был оснащен необычной системой впрыска смеси воды и метилового спирта, содержащейся во вспомогательном баке. Смесь впрыскивалась во впускные каналы в моменты, когда требовалось больше энергии – в зависимости от стиля вождения литр жидкости мог преодолевать расстояние от 360 до 3200 км. Машине Corvair, с задним двигателем с воздушным охлаждением, повезло гораздо больше, она оставалась на рынке пять лет, продано 50 000 автомобилей.
Автомобиль Chevrolet Convair Monza
Турбины вновь появились на серийных автомобилях в 70-х годах, но уже в Европе. Возрождение было проведено компанией BMW со знаменитым «2002» 1973 года (170 л.с. и 2 л), а затем Porsche с 1974 годом «911 Turbo» (260 л.с. 3 л). США, несмотря на первоначальные неудачи, вернулись к турбинам с автомобилем «Regal» Buick 1978 года. А вот первый дизельный двигатель с турбокомпрессором появился в Европе благодаря Peugeot «604» (выпускался в 1975-1985 гг.).
Peugeot 604 1978 года
Главной компанией Европы, которую действительно «беспокоил» автомобильный мир, была Renault. В 1977 году она открыла на чемпионате мира Формулы 1 то, что вошло бы в спортивную историю как «Турбо Эра». Вскоре за французским автогигантом последовали Honda, Ferrari, BMW, которые испытали шестицилиндровыми двигатели объемом 1,5 л с мощностью до 1500 л.с.
Ралли-машины также экспериментировали с «турбо-эффектом». Первой была Audi «Quattro Sport», а затем Lancia «Delta S4» (первый автомобиль в мире, который использовал двойную систему турбокомпрессора с объемным компрессором Volumex и турбокомпрессор KKK), Peugeot «205 T16» и многие другие. Их 2-литровые 4-цилиндровые двигатели были способны превышать мощность 600 л.с.
Совокупная эскалация сил, как на трассе, так и на дороге, не осталась незамеченной, в том числе из-за негативных последствий в вопросах безопасности. Управление авто с мощными двигателями без современных электронных средств может выйти за пределы возможностей лучших пилотов, поэтому различные федерации были вынуждены делать ставки. В «Формуле 1» сначала устанавливают ограничение на максимальное давление наддува, а с 1989 года полностью отказываются от турбодвигателей. В «Ралли» турбодвигатели по-прежнему присутствуют в высшей категории, но должны принять ограничение на потребление воздуха в турбонагнетателе, в результате чего мощность фактически снижается до 300 л.с.
В 1997 году, благодаря автомобилю Alfa «156», турбонаддув будет соединяться с дизельным двигателем.
Alfa Romeo 156 – 1999 года
Усовершенствование турбин в наши дни
Несмотря на то, что прошло более ста лет со дня изобретения, турбокомпрессор все еще является предметом серьезных усовершенствований. Техническое вмешательство сконцентрировано, прежде всего, на лопатках турбины и компрессора, которые представляют собой сердце этого устройства. Их правильная конструкция имеет основополагающее значение для хорошей работы турбокомпрессора.
Если внедрение мобильных лопаток для компрессора является реальностью, консолидированной годами (проще говоря «турбонагнетатель с изменяемой геометрией»), гораздо более свежим и сложным является внедрение этого решения на стороне турбины. Критичность заключается в том, что лопасти турбины поражены высокотемпературным выхлопным газом (около 1000°C). Первой машиной, которая приняла турбину с изменяемой геометрией, была Porsche с «911 Turbo» 2005 года.
Усовершенствованный Porche Turbo 911 (Turbo S) 2018 года
Помимо этих изощрений, турбокомпрессор возвращает моду на бензиновые двигатели. Благодаря этому можно использовать небольшие (и, следовательно, легкие) двигатели на широком диапазоне автомобилей, имея возможность рассчитывать на достаточный запас оборотов и мощности. Таким образом, производительность, удовольствие от вождения и экономичность, являются основными преимуществами современной автомобильной турбины.
Всё о турбинах
История развития турбокомпрессоров началась примерно в то же время, что и постройка первых образцов двигателей внутреннего сгорания. В 1885 — 1896 г. Готлиб Даймлер и Рудольф Дизель проводили исследования в области повышения вырабатываемой мощности и снижения потребления топлива путем сжатия воздуха, нагнетаемого в камеру сгорания. В 1952 г. швейцарский инженер Альфред Бюши впервые успешно осуществил нагнетание при помощи выхлопных газов, получив при этом увеличение мощности на 40%. Это событие положило начало постепенному развитию и внедрению в жизнь турботехнологий.
Первыми легковыми автомобилями, оснащенными турбинами, были Chevrolet Corvair Monza и Oldsmobile Jetfire, вышедшие на американский рынок в 1962 — 63 г. Несмотря на очевидные технические преимущества, низкий уровень надежности привел к быстрому исчезновению этих моделей.
Начало использования турбодвигателей на спортивных автомобилях, в частности на Formula 1, в 70-х годах привело к значительному увеличению популярности турбокомпрессоров. Приставка «турбо» стала входить в моду. В то время почти все производители автомобилей предлагали как минимум одну модель с бензиновым турбодвигателем. Однако, по прошествии нескольких лет мода на турбодвигатели начала проходить, так как выяснилось, что турбокомпрессор, хотя и позволяет увеличить мощность бензинового двигателя, сильно увеличивает расход топлива. Задержка в реакции турбокомпрессора была достаточно большой на первых образцах этого оборудования, что также являлось серьезным аргументом против установки турбины на бензиновый двигатель.
Коренной перелом в развитии турбокомпрессоров произошел с выпуском в 1978 г. Mercedes — Benz 300 SD, первого легкового автомобиля, оснащенного дизельным турбодвигателем. В 1981 г. за Mercedes — Benz 300 SD последовал VW Turbodiesel. При помощи турбокомпрессора производителям удалось увеличить эффективность работы дизельного двигателя до уровня бензинового, сохранив при этом значительно более низкий уровень выброса в атмосферу выхлопных газов.
На сегодняшний день установка турбокомпрессора на бензиновый двигатель скорее рассматривается как способ сокращения потребления топлива и, таким образом, уменьшения уровня выброса СО2 и других вредных веществ. Таким образом, турбодвигатели служат способом уменьшения расхода энергоносителей и уменьшения выбросов в окружающую среду.
Применение наддува влечет за собой увеличение и тепловой нагрузки на детали двигателя. Решение этой проблемы может быть достигнуто, например, путем охлаждения поршней маслом через специальные форсунки со стороны картера, а также установкой жаростойких клапанов.
Система охлаждения также должна быть рассчитана на отвод большего количества теплоты. Это достигается установкой радиатора большего размера, а у двигателей с воздушным охлаждением — увеличением количества охлаждающего цилиндры воздуха. В зависимости от уровня форсирования двигателя может потребоваться и эффективное охлаждение смазочного масла.
Следует иметь в виду, что при отсутствии наддува мощность надуваемого бензинового двигателя, как правило, ниже, чем у двигателя без наддува, который не предназначался для наддува. Основная причина здесь в том, что у двигателя с наддувом для предотвращения детонационного сгорания геометрическую степень сжатия несколько уменьшают.
Вопрос о правильном выборе степени сжатия для двигателя с наддувом имеет важное значение, особенно для бензиновых двигателей. В этой связи необходимо различать степень сжатия геометрическую сжатия и эффективную.
Компрессоры
Всякий раз, когда речь заходит о гоночных или спортивных автомобилях, тема турбонагнетателей становится весьма актуальной. Итак, поговорим о турбинах. Турбокомпрессор позволяет повысить мощность двигателя без значительного увеличения его веса. Это обстоятельство сделало турбины весьма популярными как среди автопроизводителей, так и среди энтузиастов от тюнинга.
Основы
Принимая во внимание то обстоятельство, что современные автомобильные двигатели являются высокооборотными, можно утверждать, что дальнейшее форсирование их путем повышения частоты вращения КВ является мало перспективным и, скорее, может находить применение лишь на двигателях спортивных автомобилей, предназначенных для установления рекордов скорости и не претендующих на долговечность.
Второй вариант повышения мощности за счет увеличения рабочего объема цилиндра путем изменения диаметра и хода поршня также имеет ряд конструктивных ограничений, из-за которых не всегда возможно использование таких модификаций.
Остановимся на третьем варианте — увеличение среднего эффективного давления. Наиболее действенным способом в этой ситуации является наддув. При наддуве улучшается наполнение цилиндров свежим зарядом, что позволяет сжигать в цилиндрах большее количество топлива и получать за счет этого более высокую агрегатную мощность двигателя. Итак, поговорим более подробно о турбокомпрессорах (ТК).
Обычно давление, создаваемое ТК находится в пределах от 6 до 8 фунтов на квадратный дюйм (PSI). Так как нормальное атмосферное давление — 14.7 PSI на уровне моря, получается примерно 50-ти процентное увеличение количества воздуха, закачиваемого в двигатель. Из этого следует, что теоретически мы могли бы получить 50% прироста мощности, на практике, увы, максимум 30-40%, что тоже неплохо. Одна из причин такой неэффективности является сам ТК. Его наличие в потоке выхлопных газов создает сопротивление выхлопу и, соответственно, часть мощности двигателя затрачивается на преодоление этого сопротивления.
Как это работает
ТК при работе используют энергию отработавших газов. Принцип работы весьма прост. Отработавшие газы через выпускной коллектор попадают под давлением в корпус турбинного колеса, где приводят во вращение турбинное колесо. На вал турбинного колеса жестко установлено компрессорное колесо, которое при вращении сжимает воздух и подает его во впускной коллектор двигателя. Соответственно, чем большее количество выхлопных газов проходит через компрессорное колесо, тем быстрее оно вращается. Частота вращения вала может доходить до 150.000 об/мин и более.
Недостатки
Характерным недостатком ТК в условиях эксплуатации поршневого двигателя является то, что он при низкой частоте вращения КВ подает воздуха слишком мало, а при высокой частоте и полной нагрузке — слишком много. Это обусловливает недостаточный крутящий момент двигателя в диапазоне низких частот вращения КВ и проявляется в медленном его реагировании на изменение нагрузки при переходных процессах, например, при резком ускорении. Собственно, задержка, так называемый лаг, проявляется во всем диапазоне частот вращения КВ (на низах больше, на верхах меньше) — это объясняется отсутствием механической связи ротора ТК с коленчатым валом двигателя.
Одним из способов уменьшения задержки является снижение инерции вращающихся частей путем сокращения их веса.
Какой ТК выбрать — маленький или большой
Еще один способ снизить инерцию турбины — это уменьшить ее размеры. Маленький ТК быстрее создает необходимое давление в зоне низких частот вращения двигателя, но не может обеспечить требуемый объема воздуха в зоне более высоких частот. К тому же скорость вращения маленького ТК выше, чем большого, что негативно влияет на состояние вращающихся частей ТК.
Большой ТК может обеспечить большое количество воздуха в зоне высоких частот вращения двигателя, но его недостаток — значительная задержка особенно в зоне низких частот.
Дополнительная информация по ТК
Wastegate
Большинство турбированных автомобилей имеет wastegate, который позволяет использовать ТК меньшего размера для уменьшения лага, предотвращая его от слишком высоких нагрузок в зоне высоких частот вращения двигателя. Wastеgate — это клапан, стравливающий избыток выхлопных газов в обход турбинного колеса, тем самым, снижая его обороты и предотвращая от чрезмерных нагрузок.
ТК на шарикоподшипниках
Некоторые ТК используют шариковые подшипники для крепления турбинного вала. Они имеют меньший коэффициент трения, к тому же дают возможность использовать более легкий турбинный вал — итог снижение лага.
Керамические ТК
Керамические лопатки турбинных колес легче, чем стальные, используемые в большинстве ТК, следовательно, они имеют меньшую инерцию и, что естественно, снижает задержку ТК.
Последовательные ТК
Некоторые двигатели используют два ТК различных размеров. Меньший работает в зоне низких частот вращения двигателя, а большой — в зоне высоких частот, где первый не столь эффективен.
Интеркуллеры
При сжатии в ТК воздух нагревается, в результате чего его плотность уменьшается. Это приводит к тому, что в рабочем объеме цилиндра воздуха, а, следовательно, и кислорода, по массе помещается меньше, чем могло бы поместиться при отсутствии нагревания. Поэтому сжимаемый в нагнетателе воздух перед подачей его в цилиндры двигателя предварительно охлаждается в холодильнике (интеркуллере), который стал неотъемлемой частью большинства двигателей с наддувом. Понижение температуры наддувочного воздуха на 10 градусов позволяет увеличить его плотность примерно на 3%. Это, в свою очередь, позволяет увеличить мощность двигателя примерно на такой же процент.
Особенности тюнинга посредством наддува
Различают два вида тюнинга посредством наддува. Первый, сравнительно простой вид, заключается в увеличении мощности имеющегося двигателя с наддувом. Второй, более сложный вид, состоит в наддуве двигателя, проектировавшегося первоначально для работы без наддува. В первом случае можно повысить мощность относительно просто за счет увеличения давления наддува. Используемые для этого приемы будут рассмотрены ниже. Определяющим критерием здесь является прирост мощности двигателя примерно на 10% при увеличении наддува на 0,1 бар. Но подходить к этому следует, конечно, достаточно осторожно. Без проведения дополнительных мероприятий нельзя рекомендовать повышение давления наддува двигателя более чем на 0,1 бар. Это связано с возможностью возникновения детонации и перегрузок деталей кривошипно- шатунного механизма. Однако давление наддува можно увеличить, например, и на 0,2 бар, если дополнительно установить интеркуллер или заменить уже имеющийся на интеркуллер большего размера, соответственно увеличив его пропускную способность. При форсировании двигателя за счет наддува возрастает тепловая нагрузка на детали цилиндропоршневой группы и механическая нагрузка на трансмиссию. Поэтому, если не предпринять меры по более эффективному охлаждению наддувочного воздуха и усилению трансмиссии, то даже достаточно мощные двигатели можно форсировать лишь незначительно. Не рекомендуется эксплуатировать такие двигатели длительное время с полной нагрузкой.
Второй вид тюнинга, то есть последующее оснащение наддувом безнаддувного двигателя, предъявляет значительные требования к специальным знаниям, а также техническим решениям, которые практически может реализовать занимающаяся тюнингом фирма. Трудность заключается не только в том, что не всегда просто выбрать турбокомпрессор. Помимо этого необходимо конструировать некоторые детали заново или же изменить их конструкцию. И чем больше должна быть мощность двигателя, тем выше, в принципе, затраты на проведение работ. В непосредственном окружении двигателя подвергаются изменениям или заново проектируются и изготавливаются следующие узлы и системы:
— Передача силового потока от двигателя к трансмиссии (сцепление);
— Система выпуска отработавших газов;
— Впускной тракт системы питания, включая приготовление горючей смеси;
— Системы охлаждения и смазки;
— Система зажигания, включая свечи зажигания.
При наддуве двигателя, который первоначально не предназначался для этого, часто необходимо уменьшить его геометрическую степень сжатия e. Уменьшение e возможно за счет применения поршней с уменьшенной высотой от оси поршневого пальца до днища, а за счет более толстой уплотнительной прокладки головки цилиндров, а также за счет увеличения объема камеры сгорания непосредственно в самой головке цилиндров. Прочие мероприятия, например, охлаждение днища поршня путем опрыскивания его маслом из специальной форсунки со стороны картера или усиление поршневых пальцев из-за возрастающих затрат на реконструкцию проводятся очень редко. Часто, чтобы затраты на тюнинг двигателя не превысили определенного значения, отказываются даже от уменьшения степени сжатия. В этом случае для бензиновых двигателей необходимо угол опережения зажигания и давление наддува согласовать с высокой степенью сжатия. При значительном повышении мощности двигателя за счет наддува могут потребоваться значительные изменения ходовой части, тормозной системы и трансмиссии (передаточных отношений коробки передач и главной передачи).
Ориентировочно за верхнюю границу абсолютного давления наддува в зависимости от назначения двигателя можно принять следующие значения:
— Серийные автомобили для обычных дорог: pka=1,4 — 1,8 бар;
— Автомобили спортивные и для ралли: pka=1,8 — 2,5 бар;
— Автомобили для установления рекордов: pka=2,8 — 3,4 бар.
В серийных автомобилях имеет место тенденция к установке двигателей с высокой степенью сжатия и невысоким давлением турбонаддува, тогда как в гоночных автомобилях за счет различных дополнительных мероприятий, например, впрыскивания воды, стремятся к все более высоким давлениям наддува.
Применение турбокомпрессора
Турбодвигатели устанавливаются повсюду, где требуется высокий уровень экономии энергоносителей, особенно при использовании крупных двигателей. Почти все морские, локомотивные и промышленные двигатели оснащаются турбокомпрессорами и охладителями нагнетаемого воздуха.
Со времени своего появления в начале 50-х, технологии турбокомпрессии выхлопных газов достигли высочайшего уровня развития, создав значительные экономические преимущества при транспортировке грузов и пассажирских перевозках. Снижение веса двигателя позволяет увеличить грузоподъемность машины и обеспечить достаточный объем грузового отсека. За последние 25 лет расход горючего автомобилей сократился на 40% при увеличении средней скорости на 50%.
Одним из важнейших направлений в развитии турботехнологий является получение высокого крутящего момента при низких скоростях двигателя. Благодаря глубочайшим исследованиям и постоянному совершенствованию, развитие пульсирующей турбокомпрессии (в противоположность турбокомпрессии при постоянном давлении) достигло высочайшего уровня. Пульсирующая турбокомпрессия, в отличии от турбокомпрессии при постоянном давлении, не требует применения выпускных коллекторов большого размера, это позволяет почти полностью сохранить кинетическую энергию выхлопных газов, выходящих из цилиндров. Так как давление в трубах не постоянно, соединение выпускных коллекторов цилиндров, не сообщающихся друг с другом, возможно только при наличии в двигателе нескольких цилиндров. В 6—цилиндровом двигателе к турбине подсоединены 2 группы, включающие в себя по 3 цилиндра. Выхлопные газы, идущие от разных групп, подаются в турбину отдельно (турбина оснащается двойным входом).
На легковых машинах, в основном, используется выхлопной коллектор, состоящий из одной части, а также турбины с одним входом. В данном случае пульсация выхлопных газов компенсируются при помощи компактной системы труб.
При использовании турбокомпрессии с постоянным давлением, колебания давления гасятся путем установки сравнительно большого выхлопного коллектора для обеспечения прохода большего количества газов с пониженным давлением при высоких оборотах двигателя. Так как двигатель получает возможность выброса выхлопных газов при меньшем сопротивлении, расход топлива при определенных режимах работы снижается. Недостатком данной системы является значительно меньший крутящий момент на низких оборотах двигателя. По этой причине, двигатели с постоянным давлением турбокомпрессии зачастую используются на двигателях, не требующих резкого увеличения крутящего момента для акселерации, например, морские и промышленные двигатели.
С начала 90-х ограничения уровня выбросов в атмосферу для автобусов и грузовиков в Европе и США были значительно ужесточены, и на данный момент только двигатель, оснащенный турбиной, может соответствовать предъявляемым требованиям. Охлаждение нагнетаемого воздуха также стало обязательным требованием в соответствии со стандартами Euro-2 (с 1996) и US-94.