Последовательный турбонаддув

Последовательный турбонаддув

Следующее предложение для раллийных двигателей группы S поступило от конструктора тюнингового ателье Абарта. Это была конструкция, которая в наше время получила название «последовательный наддув». Абарт утверждал, что четырехцилиндровый двигатель объемом 1759 см³ может выдавать мощность до 600 л.с. и крутящий момент 537 Н•м при частоте вращения 8000 об/мин.

Как и в случае с конструкциями, состоящими из двух турбокомпрессоров, достаточно необычными на то время, Абарт также решил отклониться от стандартных решений, когда речь шла о конструкции каналов в четырехклапанных головках блока цилиндров с двумя распредвалами. С самого начала все (за несколькими исключениями) выпускные клапаны устанавливались последовательно на одной стороне головки блока цилиндров и приводились в действие одним распредвалом с шестью выпускными кулачками. Сторона впускных клапанов работала тем же образом.

Абарт решил действовать иначе, позаимствовав идею у компании BRM, которая, хоть и без особых успехов, использовала подобную схему во время участия в гонках «Формулы-1» в 1960-х годах. Он решил расположить клапаны с одной стороны в последовательности «впускной клапан – выпускной клапан – впускной клапан – выпускной клапан» и т.д. Данная конструкция отлично подходила для небольшого двигателя с четырьмя выпускными каналами с каждой стороны, обеспечивающими поток отработанных газов к соответствующим турбокомпрессорам. В то же время восемь выпускных клапанов были расположены в пространстве между двумя распредвалами. Облегчая направление и подсоединение трубопроводов к двум турбокомпрессорам, подобная конструкция также помогала уравновесить температуры вокруг камеры сгорания. К тому же не приходилось беспокоиться о температуре седел впускного и выпускного клапанов (см. рис. 3.2).

Стандартное расположение обоих выпускных клапанов на одной стороне камеры сгорания создает достаточно сложную проблему. Во-первых, намного сложнее поддерживать интенсивность потока охлаждающей жидкости к одной стороне головки блока цилиндров, чтобы предотвратить деформацию головки блока цилиндров, а также уравновесить температуру вокруг камеры сгорания. Во-вторых, тонкая перемычка металла между двумя выпускными клапанами подвержена перегреву и короблению. То же касается седел клапанов и краев клапанов, которые соприкасаются сэтой областью, что часто приводит к деформации и прогоранию клапана. Еще большим поводом для беспокойства является то, что высокая температура в данном участке может стать причиной нагревания воздушного заряда и, следовательно, возникновения детонации (см. рис. 3.3).

Хотя конструкция Абарта на то время и была нестандартной, это не означает, что она была уникальной. Двумя годами ранее компания Porsche представила свой гоночный автомобиль 959 группы В с подобной конструкцией, а немного позже компании Mazda и Toyota выпустили серийные спортивные автомобили RX-7 и Supra с последовательным турбонаддувом в заводском исполнении.

Рис. 3.2. Двигатель Абарта с двумя турбокомпрессорами был оснащен головкой блока цилиндров свпускными и выпускными клапанами, расположенными диаметрально друг напротив друга.

Рис.3.3. В стандартной камере сгорания четырехклапанного двигателя область между двумя выпускными клапанами склонна к перегреву. Некоторые производители ограничивают размер выпускных клапанов, чтобы клапаны были расположены на достаточном расстоянии. В своих турбированных пятицилиндровых двигателях гоночных автомобилей компания Audi создала масляные каналы вокруг седел выпускных клапанов, чтобы обеспечить циркуляцию моторного масла с целью их охлаждения.

Идея, ставшая причиной создания последовательного наддува, достаточно проста. Небольшой турбокомпрессор обеспечивает давление наддува при низкой частоте вращения, по мере увеличения частоты вращения поток отработанных газов направляется к турбокомпрессору больших размеров, чтобы поддерживать более высокое давление наддува и не ограничивать поток отработанных газов. На рис. 3.4 показан график влияния подобной конструкции на серийную версию автомобиля Porsche 959 со степенью сжатия 8,3:1 и максимальным давлением наддува 0,98 бар. Маленький турбокомпрессор, обеспечивая хорошую чувствительность дроссельной заслонки, ограничивает максимальную мощность и увеличивает расход топлива. С другой стороны, работа двух турбокомпрессоров приводит к нестабильной работе двигателя при частоте вращения до 3500об/мин, а это примерно 45% максимальной частоты вращения двигателя.

Рис.3.4. Кривая мощности автомобиля Porsche 959 показывает, как правильная конструкция последовательного турбонаддува обеспечивает отличную мощность при низкой частоте вращения, неограничивая верхний диапазон мощности.

Концепция последовательного впрыска топлива достаточно проста, а ее практическое применение схематически показано на рис. 3.5. В основном при низкой частоте вращения поток отработанных газов направляется к меньшему турбокомпрессору слева, а его перепускной клапан закрыт. Выхлопные газу могут направиться к турбокомпрессору с правой стороны, но они не могут пройти через него из-за клапана, который в отличие от перепускного клапана блокирует выпускной трубопровод. То же самое со стороны впуска: воздушный клапан предотвращает попадание впускного заряда в компрессор. Это очень важно, так как недостаточное обратное давление на впуске позволит турбокомпрессору вращаться быстрее.

Рис.3.5. Конструкция последовательного турбонаддува в автомобиле Porsche 959.

На иллюстрации изображены следующие компоненты:

1. Первичный турбокомпрессор.
2. Вторичный турбокомпрессор.
3. Вентиляционный клапан.
4. Воздушная заслонка.
5. Перепускной клапан.
6. Блокирующий клапан.

По мере увеличения частоты вращения двигателя и интенсивности потока выхлопных газов маленький турбокомпрессор и, соответственно, давление наддува будут приближаться к предельным значениям (см.рис.3.6). В системе стандартной конструкции перепускной клапан будет приводиться в действие в этот момент, однако в случае с последовательным турбонаддувом электронный блок управления пошлет сигнал на вторичный турбокомпрессор, заставляя выпускной клапан открываться. Это действие позволяет потоку проходить через турбокомпрессор с правой стороны, раскручивая его. Однако, так как впускной воздушный клапан до сих пор закрыт, а вентиляционный клапан компрессора открыт, воздух не будет поступать в двигатель. Весь поток будет перемещаться по закрытому контуру.

Рис.3.6. Кривая частоты вращения двигателя с последовательным турбонаддувом. По мере увеличения частоты вращения двигателя маленький первичный турбокомпрессор снижает интенсивность пропускной способности, поэтому давление наддува начинает падать. Затем, по мере увеличения интенсивности потока выхлопных газов, вторичный больший турбокомпрессор начинает работать, и давление наддува снова поднимается, так как оба турбокомпрессора работают, чтобы обеспечить достаточно интенсивный поток воздуха к двигателю.

При дальнейшем увеличении частоты вращения двигателя и интенсивности потока отработанных газов электронный блок управления полностью открывает блокирующий клапан вторичного турбокомпрессора и одновременно закрывает впускной вентиляционный клапан. Установленный последовательно воздушный клапан открывается по мере увеличения давления наддува, затем вторичный турбокомпрессор начинает подавать поток воздуха к двигателю. По мере увеличения интенсивности потока от этого турбокомпрессора давление наддува опять будет приближаться к пределу. Электронный блок управления получит сигнал и активирует перепускной клапан, чтобы избежать избыточного давления наддува. Вслучае неисправности перепускного клапана электронный блок управления на автомобиле Porsche 959 активирует отсечной клапан подачи топлива, чтобы избежать слишком высокого давления наддува.