Выпускной коллектор
Как видно на примерах использования этих двух вариантов газотурбонаддува, работа турбины, прежде всего, зависит от геометрии и конструкции выпускного коллектора. Если необходимо получить хороший коэффициент полезного действия турбины, то следует по-настоящему отрегулировать отдельные выпускные потоки цилиндров. И это необходимо еще и потому, что у двигателей легковых автомобилей поровну практикуется как импульсный наддув, так и газотурбонаддув с подводом отработавшего газа с постоянным давлением.
Импульсный преобразователь
Особой формой выпускного коллектора является «импульсный преобразователь». Английское выражение достаточно точно отражает смысл этого компонента, речь идет здесь о регулировании или конвертировании потока отработавших газов. Импульсный преобразователь помогает там, где из-за неблагоприятных интервалов между вспышками нельзя больше использовать импульсный наддув с двухструнными впускными корпусами турбин. Но чтобы и при таких условиях можно было использовать кинетическую энергию отработавших газов для привода турбины, объединяемые отдельные потоки отработавшего газа так подводятся к импульсному преобразователю, чтобы не создавалось ни запирающих, ни обратных потоков. Происходит, напротив, тип динамического обмена между отдельными потоками, которые соответственно получают ускорения в направлении впуска в турбину. При конструировании такого преобразователя помимо необходимого поперечного сечения трубопроводов учитывают также и геометрию разделительного элемента в разветвлении отдельных потоков. Этот разделительный элемент оказывает существенное влияние на скорость и направление потока отработавших газов. Импульсный конвертер пригоден для всех распространенных типов двигателей легковых автомобилей: четырех-, пяти-, и восьмицилиндровых агрегатов.
Даже когда в сфере легковых автомобилей, за исключением Volvo, не используют двойных лопаточных турбин и не применяют чистую форму импульсного наддува, то все равно современные выпускные коллекторы все больше и больше похожи на импульсные преобразователи. Форма и исполнение коллектора не бросает на произвол судьбы и случая потоки отработавших газов, а руководит отдельными потоками в системе. Типичным примером импульсного преобразователя на основе коллектора является 2,2-литровый пятицилиндровый бензиновый турбодвигатель Audi, который в своем последнем исполнении в 1991 году имел мощность 169 кВт/230 л.с. Здесь были реализованы три подводящих канала к одноструйной турбине, у которой потоки отработавшего газа, один из одного цилиндра и второй из двух цилиндров, сводились только перед впуском в турбину. Несмотря на неблагоприятные интервалы между вспышками с углом поворота коленчатого вала 144° в конечном итоге создавался импульсный наддув, так как благодаря позднему сведению потоков отработавших газов сохранялась кинетическая энергия отдельных потоков и уменьшались обратные потоки в соседние цилиндры.
Система выпуска отработавших газов
Что в народе часто понимают под «выхлопной трубой», то в турбодвигателе представляет из себя внешне дорогостоящую и достаточно сложную картину, состоящую из чугунного коллектора, клапанов, газопроводов и глушителей, причем последний непосредственно у турбодвигателя может и отсутствовать, поскольку сама турбина уже функционирует как первичный глушитель. В системах выпуска отработавших газов проявляется одно из серьезных различий в концепции двигателей с механическим наддувом, так как их системы выпуска в принципе смогут отталкиваться от базового мотора.
Поскольку у турбодвигателя весь отработавший газ частично проходит через турбонагнетатель, а частично через байпасный клапан, то эти два компонента являются интегрированной составной частью системы отвода отработавших газов. При конструировании комплексной системы выпуска отработавших газов турбодвигателя следует поэтому прежде всего принимать во внимание следующие два фактора:
· Прочность и стойкость системы и соединений
· Термодинамическое согласование с турбонагнетателем.
Что касается прочности и стойкости системы выпуска отработавших газов, то здесь возникают крупные проблемы, которые в большей части проявляются в зоне коллектора перед газотурбонагнетателем. Тепловая нагрузка здесь вследствие противодавления в турбине существенно выше по сравнению со свободно протекающим потоком отработавшего газа в двигателе без наддува. Это приводит - прежде всего у бензиновых двигателей из-за высоких температур отработавших газов - не только к необходимости использования жаропрочных и соответственно дорогостоящих материалов для коллектора; ранее это были преимущественно высоколегированное хромоникелиевое стальное литье или специальные, зарегистрированные марки литья. Сегодня встречаются уже у турбобензиновых двигателей (например, Audi 2,7-литровый Biturbo) «коллекторы из листовой стали» в форме систем трубопроводов с изолированными воздушными зазорами, которые требуют ничуть не меньше затрат по сравнению с литыми коллекторами, а напротив, обходятся еще дороже. О таком виде высокотехнологичных системы еще подробней поговорим.
До сегодняшнего дня остается еще, разумеется, дорогостоящим закрепление нагнетателя на коллекторе, поскольку пока еще не идет речь об «интегральной нагнетательной системе», как мы увидим в следующих главах. Так как коллектор в результате нагревания (у бензиновых двигателей температура может доходить до 1500°С) достаточно активно работает, то введение уплотнений и болтовых соединений в головки цилиндров затруднительно. Высокожаропрочные винты, специальные муфты, смотря по обстоятельствам, отдельный коллектор и компенсаторы из высококачественной стали обуславливают соответственно конструкторские и экспериментальные затраты, которые едва ли сравнимы с затратами подобных работ у двигателей без наддува.
Не столь сложна эта проблема у дизельных двигателей, которые имеют более низкие тепловые нагрузки; ибо значения температур отработавших газов, которые достигаются в турбодизелях с системами непосредственного впрыскивания, чаще всего находятся ниже 700°С.
Тем не менее, выпускной коллектор должен выдерживать не только высокие температуры и связанные с ними нагрузки, но и нести на себе всю тяжесть нагнетателя, который, как правило, посредством фланцевого соединения закрепляется непосредственно на коллекторе. Это может, в частности, в плохо отрегулированных двигателях с произвольной инерцией масс (например, рядный четырехцилиндровый двигатель и тем более будущие трехцилиндровые двигатели) привести к появлению проблем со сроком эксплуатации, на которых мы еще остановимся в соответствующей главе при рассмотрении нагрузок турбодвигателей. При использовании общепринятых еще несколько лет назад отдельных клапанов регулирования давления наддува, при наличии которых коллектор имел разветвление перед турбиной, раньше также должны были при конструировании и назначении параметров коллекторов учитываться их слабые места. На сегодня эти отдельные «перепускные» клапаны и трубопроводы скорее являются исключением; а распространенные сейчас и встроенные в корпус турбины байпасные каналы, естественно, уже не создают коллектору никаких проблем.
По меньшей мере, также важны, наряду с прочностью и закреплением, и термодинамические параметры системы выпуска отработавших газов турбодвигателей. Здесь нужно считаться с типом загрузки турбины, совершается ли она импульсным наддувом или наддувом с подводом отработавших газов с постоянным давлением. Из чего в соответствующих случаях состоят системы выпуска, уже шла речь в главе, посвященной этим видам газотурбонаддува.
Когда отдельно встроенные байпасные клапаны еще считались стандартом, то головную боль и создавал другой фактор: речь идет о перепускном канале, таком отводе от коллектора перед турбиной, который заботился о снабжении клапана регулирования давления наддува отработавшим газом. Как мы еще далее увидим, этот канал тоже сегодня интегрирован в корпус турбины. Но для обеих альтернатив справедливо: необходимы специальные уловки, чтобы не оказать отрицательного влияния на коэффициент полезного действия турбины. У некоторых, но редко используемых, отдельных перепускных клапанов имеется дополнительный объем, который затрудняет использование содержащейся в отработавшем газе кинетической энергии, у встроенных каналов имеется риск неоптимального обтекания турбины основным потоком масс отработавшего газа. Нарушение такого обтекания - и это относится, естественно, и к не оптимально уложенным перепускным каналам при наличии отдельных байпасных клапанов - может возникать в том случае, когда ответвление перепускного канала неблагоприятно исполнено и при открытии клапана регулирования давления наддува из-за разветвления потока образуются завихрения, которые препятствуют поступлению отработавших газов в корпус турбины и тем самым приводят к появлению высокого скоростного напора, что, естественно, не способствует хорошему коэффициенту полезного действия нагнетателя.
Также и другое направление в системах выпуска обуславливает сегодня наличие мастерства у конструкторов: оно относится к размещению каталитических нейтрализаторов и учету связанных с ними термических параметров, чтобы нейтрализаторы при холодном запуске по возможности раньше смогли начать свою работу. Сначала о самом нейтрализаторе: поскольку он как деталь является мешающим фактором (вследствие противодавления) в системе выпуска отработавших газов, то конструктивно должен в этом отношении как можно меньше бросаться в глаза. Преимуществами обладают металлические каталитические нейтрализаторы, которые по своему материалу, по сравнению с керамическими нейтрализаторами, допускают более тонкие стенки и большие поперечные сечения в сотовой структуре. Это снижает, в конечном счете, и противодавление, но является очень дорогим удовольствием. Металлическими каталитическими нейтрализаторами вооружил Porsche свой 911 Turbo (Biturbo, модельный год 1994). Porsche уже давно догадывался о достоинствах металлических каталитических нейтрализаторов; его двигатель без наддува имел их уже в 1988 году. На 911 Turbo использовался носитель с так называемой «TS»-структурой. Эта структура гарантировала не только эффективное прохождение отработавшего газа и соответствующую нейтрализацию, но к тому же имела еще и то преимущество, что плотность ячеек при одинаковом объеме и одинаковой эффективности слабо падает - что к тому же способствует небольшому противодавлению и одновременно еще меньшему весу.
Металлический нейтрализатор имел в свое время и эффективный турбодвигатель Opel Calibra; он даже предполагался в те времена для крупносерийного производства. Из металла были также изготовлены предварительные нейтрализаторы 2,7-литровых Biturbo Audi. Так как и в этой сфере играет свою роль стоимостной фактор, то сегодня чаще всего можно встретить еще и распространенные керамические нейтрализаторы.
