Как работает турбокомпрессор

Что показывает модель

Нажмите на газ в небольшой машине с турбонаддувом на малой скорости, и примерно секунду почти ничего не происходит. Потом машина тянет так, будто двигатель вырос. И эта пауза, и этот толчок происходят от детали в середине модели: турбокомпрессора, маленького вентилятора, который крутят выхлопные газы самого двигателя и который вдувает в цилиндры дополнительный воздух.

Модель представляет собой бензиновый четырёхцилиндровый двигатель объёмом 2,0 литра с одним турбокомпрессором, фронтальным интеркулером и соединяющими их патрубками. Турбокомпрессор разрезан вдоль вала, красные грани показывают разрез. Оранжевые точки обозначают выхлопные газы. Синие точки обозначают свежий воздух: при нагреве они становятся фиолетовыми, а при остывании снова синеют. Жёлтые точки обозначают масло. Показания дают частоту вращения вала турбины, давление наддува, температуру воздуха после компрессора и после интеркулера, количество воздуха на цилиндр и мощность. Всё это рассчитывается по настройкам на вкладке «Управление» по формулам, приведённым ниже. График под показаниями охватывает последние восемь секунд, так что видно, как турбина догоняет, когда вы двигаете дроссель.

Числа здесь являются модельными значениями для типичного небольшого бензинового двигателя с турбонаддувом. Они не взяты из данных какого-либо производителя, а раздел ближе к концу перечисляет, чего в модели нет.

Зачем двигателю более плотный воздух

Бензиновый двигатель сжигает топливо в кислороде воздуха, который он всасывает, и количество топлива, которое он может сжечь, ограничено этим воздухом. В экспонате «Четырёхтактный двигатель» каждый цилиндр наполняется один раз за два оборота коленчатого вала. Объём, который он заполняет, задан диаметром цилиндра и ходом поршня, поэтому единственный способ впустить больше воздуха состоит в том, чтобы сделать воздух плотнее ещё до того, как он войдёт.

В этой модели каждый из четырёх цилиндров имеет рабочий объём поллитра и наполняется на 90 процентов (это его коэффициент наполнения). Наружный воздух при 25 °C и нормальном давлении на уровне моря имеет плотность 1,184 kg/m³, поэтому цилиндр, который дышит сам, за каждый такт впуска получает

0,9 × 0,0005 m³ × 1,184 kg/m³ = 533 mg воздуха.

При 6000 rpm это 107 граммов воздуха в секунду на весь двигатель. При соотношении воздуха и топлива 14,7 и эффективном КПД 30 процентов топливо, которое можно сжечь в этом воздухе, даёт 94 kW. Если турбокомпрессор даёт наддув в один бар и интеркулер работает, тот же цилиндр получает 984 mg, а двигатель выдаёт 173 kW. Двигатель не стал больше; воздух упакован плотнее.

Выхлоп вращает турбину, вал вращает компрессор

Газы, выходящие из цилиндров, горячие и находятся под давлением, и в двигателе без турбины эта энергия уходит в выхлопную трубу. Здесь четыре патрубка выпускного коллектора подают их в корпус турбины, чугунную улитку, которая один раз огибает колесо турбины и по ходу сужается. Сужение разгоняет газ и закручивает его, он проходит внутрь через одиннадцать лопаток колеса и выходит вдоль оси в приёмную трубу. Напор газа на лопатки вращает колесо.

На другом конце того же стального вала сидит колесо компрессора, поэтому оно вращается точно с той же скоростью. Воздух от фильтра входит в него вдоль оси, а изогнутые лопатки отбрасывают его наружу у обода. Алюминиевая улитка вокруг компрессора по ходу расширяется, она тормозит быстрый воздух и превращает его скорость в давление. Та же пара идей, турбина, отбирающая работу у горячего газа, и компрессор, передающий её холодному воздуху, приводит в действие реактивный двигатель, только здесь между ними нет камеры сгорания: топливо сжигают цилиндры двигателя.

Насколько быстро он вращается? Garrett, один из крупнейших производителей, сообщает, что его самые большие турбокомпрессоры вращаются с частотой до 63 000 rpm, а самые маленькие быстрее 300 000 rpm. Колесо компрессора в модели имеет диаметр 50 mm, и чтобы дать наддув в один бар, оно должно вращаться примерно с частотой 142 000 rpm. Его обод тогда движется со скоростью

2π × 0,025 m × 142 300 / 60 s = 373 m/s,

то есть быстрее звука в наружном воздухе. На экране колёса вращаются в 2000 раз медленнее, чем указано в показаниях.

Вал, плавающий на масле

Большинство турбокомпрессоров держат вал на простых втулках и масляной плёнке, а некоторые спортивные турбины вместо этого используют специальные шарикоподшипники. В модели оплетённая трубка подводит моторное масло из главной магистрали к верху среднего корпуса. Масло заполняет зазор вокруг двух бронзовых втулок, которые плавают между валом и корпусом, и вал катится по этой плёнке, не касаясь металла. Упорный подшипник рядом с компрессором воспринимает осевую нагрузку. Затем масло падает через большой слив внизу и возвращается в поддон, поэтому сливной шланг толстый и направлен прямо вниз.

Масло ещё и уносит тепло. Сторона турбины находится в выхлопных газах, а сторона компрессора дышит наружным воздухом, и средний корпус служит мостом между ними. По той же причине у некоторых турбокомпрессоров в среднем корпусе есть рубашка охлаждающей жидкости, чтобы масло не перегревалось.

Сжатие нагревает воздух

Накачайте велосипедную шину, и корпус насоса станет тёплым. Компрессор делает то же самое гораздо быстрее, и воздух не успевает отдать тепло. Для идеального компрессора без потерь температура на выходе равна

T₂ = T₁ × PR^((γ−1)/γ),

где PR означает степень повышения давления, а γ для воздуха равна 1,4. Наддув в один бар сверх наружных 1,013 bar означает степень повышения давления 1,987. Начиная с 298,15 K (25 °C):

298,15 K × 1,987^0,286 = 362,8 K, или около 90 °C.

Реальный компрессор тратит часть своей работы на лишний нагрев. В модели КПД равен 72 процентам, и на него делится прирост температуры:

T₂ = 298,15 × (1 + (1,2168 − 1) / 0,72) = 387,9 K, или около 115 °C.

Это строка «После компрессора» в показаниях. Поднимите предел наддува до 1,5 bar, и она дойдёт до 148 °C. Эта работа требует мощности: 90 kJ на каждый килограмм воздуха, около 18 kW при 6000 rpm, и всё это турбина забирает у выхлопа.

Охлаждение заряда возвращает плотность

Горячий воздух означает разреженный воздух. Уравнение состояния идеального газа связывает три величины как ρ = p / (R T), где R = 287 J/(kg·K) для воздуха. При наддуве в один бар воздух выходит из компрессора при 201 325 Pa и 387,9 K:

ρ = 201 325 / (287,05 × 387,9) = 1,808 kg/m³.

Давление почти удвоилось, а плотность выросла всего в 1,53 раза, потому что заметная часть выигрыша ушла в тепло. Горячий воздух в цилиндрах ещё и приближает смесь к детонации, когда топливо воспламеняется само до искры.

Интеркулер представляет собой радиатор для впускного воздуха. Заряд идёт по плоским трубкам, а набегающий поток спереди машины обдувает рёбра между ними. Интеркулер модели снимает 75 процентов прироста температуры:

T₃ = 387,9 − 0,75 × (387,9 − 298,15) = 320,6 K, или около 47 °C.

При том же давлении плотность теперь равна 201 325 / (287,05 × 320,6) = 2,188 kg/m³, в 1,85 раза больше, чем у наружного воздуха. Выключите интеркулер на вкладке «Управление», и мощность при 4000 rpm упадёт со 115 kW до 95 kW без всякого изменения наддува.

Как удержать наддув на пределе

На высоких оборотах выхлопа гораздо больше, чем нужно турбине. В модели при 6000 rpm и полностью открытом дросселе выхлоп мог бы раскрутить компрессор до степени повышения давления около 3, намного больше, чем рассчитан выдерживать двигатель. Этому мешает перепускной клапан (вестгейт). Это заслонка в корпусе турбины, которая открывает прямой проход к выходу, так что часть газа идёт мимо колеса турбины. Привод, герметичный бачок с пружиной и мембраной, открывает заслонку, когда давление наддува доходит до предела. Garrett описывает это так: на заданном уровне перепускной клапан открывается и пускает выхлопные газы в обход турбины.

Ползунок «Предел наддува» сдвигает этот заданный уровень. При 4000 rpm заслонка открыта примерно на 16 процентов; при 6000 rpm она открыта примерно наполовину, и показания говорят, что наддув остаётся на одном баре, пока обороты растут. Поставьте предел на ноль, и заслонка останется открытой полностью; тогда двигатель дышит как атмосферный и выдаёт около 94 kW при 6000 rpm.

Почему мощность приходит с опозданием

Турбина может раскручиваться лишь так быстро, как её толкает выхлоп, а при движении на малом газу выхлопа немного. Нажмите педаль до упора, и сначала двигатель получает только тот воздух, который может втянуть сам. Это даёт немного больше выхлопа, турбина крутится чуть быстрее, наддув чуть растёт, и так до тех пор, пока не будет достигнут предел. Это ожидание называют турбоямой.

Модель считает, что частота вращения вала растёт к целевой с задержкой, и задержка тем больше, чем меньше выхлопа. При 2000 rpm, если перейти от 15 процентов к полному дросселю, вал разгоняется примерно с 19 800 до 101 600 rpm; половину пути он проходит за 0,7 секунды, а 90 процентов набирает за 2,4 секунды. При 3500 rpm тот же шаг доходит до 90 процентов за 1,7 секунды. Последний шаг экскурсии запускает этот опыт, и на графике красная линия оборотов вала и синяя линия наддува отстают от серой линии дросселя.

Есть и второй, отдельный эффект. На низких оборотах выхлоп не может раскрутить турбину до полного наддува, сколько ни жди. В модели полный дроссель при 2000 rpm даёт только 0,45 bar, а полный наддув появляется лишь выше примерно 3500 rpm. Это порог наддува. Производители борются с обоими эффектами с помощью меньших и более лёгких колёс, двухканальных корпусов (twin-scroll), поворотных лопаток в турбине и, в последнее время, электромоторов на валу.

Чем модель отличается от настоящего турбокомпрессора

• Турбокомпрессор нарисован примерно в масштабе, но стенки корпусов, форма лопаток и трассы патрубков упрощены.
• КПД компрессора, эффективность интеркулера и коэффициент наполнения двигателя заданы постоянными числами. В настоящем двигателе они меняются с расходом и оборотами, и производители описывают компрессоры характеристикой, а не одним числом.
• Сторона выхлопа сведена к одной формуле для давления, которое могла бы дать турбина, а остальное забирает перепускной клапан. Импульсы от каждого цилиндра, противодавление и температура выхлопа не моделируются.
• Двигатель сжигает топливо при постоянном соотношении воздуха и топлива 14,7 и постоянном КПД 30 процентов. Настоящие турбомоторы на полном наддуве работают на более богатой смеси и сдвигают зажигание на более позднее, чтобы избежать детонации.
• Потери давления в фильтре, патрубках и интеркулере не учтены, как и перепускной клапан на впуске (blow-off), который сбрасывает давление, когда дроссель закрывается.

От судовых двигателей до маленьких бензиновых машин

Началом турбонаддува обычно считают патент швейцарского инженера Альфреда Бюхи (Alfred Büchi) 1905 года. Brown Boveri закончила свой первый турбокомпрессор для больших двигателей, VT402, в июне 1924 года, а немецкие лайнеры Preussen и Hansestadt Danzig, спущенные на воду в 1926 году, стали первыми судами с двигателями с турбонаддувом, построенными под надзором Бюхи. Потом пришли самолёты: с конца 1930-х годов Boeing B-17 летал с турбокомпрессорами General Electric, которые сохраняли мощность его моторов в разреженном воздухе на высоте. В автомобилях турбоямы и громоздкость долго их сдерживали. Сегодня турбина стала обычным способом получить больше мощности от меньшего двигателя, что инженеры называют даунсайзингом.

Почему один бар не удваивает количество воздуха точно

Указатель наддува обычно измеряет превышение давления над атмосферным, а газовый закон использует абсолютное давление, отсчитываемое от вакуума. Для округлённого примера примем атмосферное давление равным 1 bar абсолютного давления, а температуру впуска постоянной. Тогда наддув 1 bar означает 2 bar абсолютного давления. По формуле ρ = p / (R T) удвоение абсолютного давления удваивает плотность, и в том же объёме цилиндра помещается вдвое большая масса воздуха. Но добавление одного бара не всегда удваивает воздух: если начать с 2 bar абсолютного давления, следующий бар даёт отношение 3 / 2.

Температура меняет результат. Допустим, сжатие нагревает воздух с 300 K до 400 K при удвоении абсолютного давления. Это учебные допущения, а не другой набор настроек модели. Отношение плотностей становится 2 × 300 / 400 = 1,50. Если охладить заряд до 330 K при том же давлении, получится 2 × 300 / 330 = 1,82. Охладитель в этом расчёте не добавил давления: он позволил вместить больше массы в доступный объём. Нужна температура в кельвинах. Делить значения в градусах Цельсия нельзя, поскольку эта шкала начинается не с абсолютного нуля.

В экспонате атмосферное давление составляет 1,013 bar, а не округлённый 1 bar. Поэтому наддув 1 bar соответствует отношению давлений чуть меньше 2; температуры и плотности немного отличаются от учебного примера. Настоящий интеркулер также создаёт потери давления, а засорённый фильтр снижает давление перед компрессором. Руководство Garrett по характеристикам компрессора учитывает потери на входе и выходе при определении фактического отношения давлений. Одно показание на приборной панели не говорит, насколько напряжённо работает компрессор.

С мощностью связано похожее заблуждение. Дополнительный кислород позволяет сжечь больше топлива, но не заменяет топливо. При постоянных смеси и КПД экспоната пропорциональный прирост массы воздуха даёт пропорциональный прирост расчётной мощности. Реальный блок управления может ограничить момент, задержать зажигание или изменить смесь. Двигатели с одинаковым наддувом могут иметь разные температуру впуска, рабочий объём и мощность. Наддув полезен как информация, но напрямую не измеряет лошадиные силы или механическую безопасность.

Почему большое колесо нельзя просто вращать быстрее

Предыдущий расчёт окружной скорости связывает обороты вала с физической скоростью конца лопатки. Для колеса модели диаметром 50 mm при 100 000 rpm получается около 262 m/s. При 250 000 rpm тот же расчёт даёт около 654 m/s. Это геометрические примеры в правдоподобном диапазоне оборотов небольших турбокомпрессоров, а не разрешённые режимы данного колеса. Прочность настоящего колеса зависит от материала, формы лопаток и ограничения изготовителя. Цветные частицы и намеренно замедленное вращение не показывают этих напряжений.

При неизменном радиусе ускорение, необходимое для кругового движения элемента лопатки, растёт пропорционально квадрату угловой скорости. Удвоение оборотов требует четырёхкратного центростремительного ускорения. Больший радиус также повышает скорость конца лопатки при тех же оборотах. Поэтому крупный промышленный турбокомпрессор может вращаться гораздо медленнее маленького автомобильного и выполнять не меньше полезной работы. В лекции MIT центробежные напряжения рассматриваются как ограничение скорости компрессора. Высокие обороты без размера колеса мало говорят об инженерной задаче.

Характеристика компрессора добавляет другое ограничение. Garrett откладывает массовый расход по горизонтали, а отношение абсолютных давлений по вертикали. Кривые показывают частоту вращения вала, а острова КПД отмечают области, где меньше работы теряется в виде тепла. Со стороны малого расхода помпаж означает неустойчивое течение, а не просто низкую мощность. На границе большого расхода запирание потока и падение КПД ограничивают полезную работу; попытка получить ещё большее давление может вызвать превышение оборотов. Больший компрессор не всегда лучше: рабочие точки двигателя должны подходить к его характеристике во всём нужном диапазоне.

Резкое закрытие дросселя может сдвинуть рабочую точку к помпажу: двигатель принимает меньше воздуха, пока колесо продолжает вращаться. В настоящих установках применяют перепускной или сбросной клапан компрессора. Он отличается от вестгейта на выпуске. В экспонате нет этого клапана и характеристики компрессора, поэтому он не предсказывает звуки помпажа и не проверяет пригодность сменного турбокомпрессора. Испытание дросселем показывает запаздывание наддува, а не все возможные неустойчивости настоящего впуска.

Разделение импульсов выпуска и изменение входа турбины

У двухканальной турбины twin-scroll по-прежнему одно турбинное колесо. В корпусе находятся раздельные выпускные каналы, а разделённый коллектор сохраняет потоки выбранных групп цилиндров отдельно до колеса. Так сохраняются полезные импульсы и уменьшается взаимное влияние цилиндров. Техническое описание BorgWarner для серийного шестицилиндрового двигателя объясняет улучшение отклика на малых оборотах. Twin-scroll не означает две турбины. Перегородка в корпусе без соответствующего разделения коллектора не воспроизводит всю систему.

Изменяемая геометрия решает другую часть задачи. Подвижные направляющие лопатки вокруг турбины меняют эффективное входное сечение. Garrett описывает, как лопатки дизельной VGT закрываются на малых оборотах двигателя, увеличивая мощность турбины и наддув, а на высоких открываются для большего расхода и предотвращения превышения оборотов. Само колесо не меняет размер. Управление позволяет приспособить турбину к большему диапазону расходов, чем неподвижный корпус, но сложность привода и горячая выпускная среда остаются проблемами конструкции.

Ни одно решение не отменяет энергию, необходимую для разгона ротора. Лучшее использование импульсов или подходящий вход сокращают отклик, но слабый выпуск всё равно ограничивает доступную энергию. Меньшая турбина помогает на низких оборотах, но может мешать большому расходу. Большая снижает это сопротивление, но труднее разгоняется. Выбор зависит от двигателя и его задачи, а не от универсального рейтинга схем. Переключать эти корпуса в экспонате нельзя: видимая турбина представляет описанный выше пример с постоянной геометрией и вестгейтом.

Когда уменьшение двигателя экономит топливо

Даунсайзинг заменяет большой двигатель меньшим, использующим наддув при высокой потребности в мощности. Расчёт на то, что обычная езда часто требует лишь части максимальной мощности. Меньший двигатель может иметь меньшие потери трения и работать с менее прикрытым дросселем при той же дорожной нагрузке. Турбокомпрессор компенсирует характеристики, которые иначе терялись бы с уменьшением рабочего объёма. Сравниваются полные системы при одинаковой работе, а не утверждается, что установка турбо на любой мотор автоматически сберегает топливо.

В отчёте EPA Automotive Trends наддув рассматривается вместе с другими моторными технологиями и их совместным влиянием на характеристики и эффективность. Такие данные автопарка описывают распространение технологий и автомобили целиком; они не выделяют гарантированную экономию только от турбокомпрессора. Масса, передаточные числа, дорожная нагрузка и калибровка тоже влияют на результат. Честное сравнение требует равноценных автомобилей в одном ездовом цикле. Из мощности экспоната нельзя вывести единый процент экономии: здесь не моделируются автомобиль и цикл движения.

Высокий наддув также создаёт ограничения. Повышенные давление и температура впуска могут вызвать самовоспламенение ещё не сгоревшей смеси бензинового двигателя до того, как её поглотит нормальное пламя. Быстрые колебания давления после этого называют детонацией, а не предусмотренным искровым зажиганием. Помогают охлаждение заряда, достаточно стойкое к детонации топливо и подходящий момент зажигания. Важна и степень сжатия, но это геометрическое отношение объёмов цилиндра, а не отношение давлений компрессора. Они описывают разные процессы и не складываются. Модель фиксирует смесь и КПД и не рассчитывает детонацию. Рост показанной мощности не разрешает повышать предел наддува настоящего автомобиля.

Ременной механический нагнетатель получает работу от коленчатого вала и может реагировать без ожидания разгона выпускной турбины. Но эта потребность в работе отнимает мощность двигателя. Электрически поддерживаемый турбокомпрессор добавляет момент электромотора на общий вал турбины и компрессора. Документы BorgWarner eTurbo также описывают генераторный режим на избыточной энергии турбины. Отдельный продукт eBooster представляет собой электрический компрессор в дополнение к обычному турбокомпрессору, а не тот же узел, что мотор на турбовалу. Энергия батареи, электрические потери и отвод тепла остаются частью баланса. Ни один вариант не создаёт сжатый воздух бесплатно.

Три сравнения на экране

Для сравнения охлаждения установите 4000 rpm, полный газ и предел наддува 1 bar. Дождитесь стабилизации линий оборотов вала и давления, затем запишите мощность. Меняйте только интеркулер. Модель показывает примерно 115 kW с охлаждением и 95 kW без него. Сравните также температуру перед двигателем и воздух на цилиндр. Это проверка плотности при почти одинаковом давлении, а не изменение размера двигателя.

Для сравнения отклика задайте 2000 rpm и дождитесь установившегося режима при 15% дросселя. Перейдите на полный газ и наблюдайте график последних 8 s. Сначала меняется линия дросселя, затем давление следует за реакцией ротора. Повторите при 3500 rpm с тем же начальным открытием. Не сравнивайте кривые сразу после изменения нескольких настроек: начальные обороты вала будут различаться. Простое уравнение задержки делает опыт повторяемым, но это не измеренный разгон серийного двигателя.

Для сравнения вестгейта сохраняйте полный газ и тот же предел, повышая обороты с 4000 rpm до 6000 rpm. Открытие вестгейта растёт, а установившийся наддув остаётся ограниченным. Большее открытие не означает остановку работы турбокомпрессора: выпуск по-прежнему вращает колесо, но большая часть потока обходит его. Наконец, поставьте предел в ноль и сравните мощность после стабилизации. Опыты различают охлаждение, переходный отклик и управление наддувом, не претендуя на моделирование расхода топлива, детонации или иных турбин.