Перспективные направления совершенствования малоразмерных турбокомпрессоров

Несмотря на большие успехи в совершенствовании элементов конструк­ции малоразмерных турбокомпрессоров, достигнутых в последние годы, агрегатам турбонаддува присущ ряд недостатков:

чрезмерно резкое нарастание давления наддува по скоростной харак­теристике двигателя при недостаточном давлении в области низких ско­ростных режимов, что обусловлено закономерностями газовой связи ТКР и двигателя;

запаздывание разгона турбокомпрессора на переходных режимах работы двигателя из-за инерционностей ротора и газовой связи;

сравнительно высокие механические потери и ухудшение аэродинамиче­ских показателей по мере уменьшения диаметра колес турбокомпрессора:

некоторое ухудшение топливной экономичности двигателей с турбонаддувом на режимах малых нагрузок по сравнению с безнаддувным двигате­лем того же рабочего объема из-за более высоких механических потерь. К недостаткам следует также отнести некоторое ухудшение условий работы смазочного материала в двигателе из-за поступления отработавших газов в картер через уплотнение со стороны турбины.

Для устранения первых двух недостатков применяются регулируемые турбокомпрессоры, разработка которых является в настоящее время одним из важнейших направлений развития систем турбонаддува. Установка ре­гулируемых турбокомпрессоров позволяет оптимизировать закон изменения давления наддува по внешней скоростной характеристике двигателя и предотвратить чрезмерное повышение частоты вращения ротора турбоком­прессора. Наддув дизелей и бензиновых двигателей легковых автомобилей осуществляется в настоящее время исключительно с использованием регу­лируемых турбокомпрессоров.

Другим важным направлением развития конструкции автомобильных тур­бокомпрессоров является разработка керамических колес турбины. Их ус­тановка позволяет уменьшить запаздывание раскрутки ротора ТКР на пе­реходных режимах. По зарубежным данным применение керамического коле­са турбины по сравнению с металлическим на автомобиле с автоматичес­кой коробкой передач сократило время разгона с места до скорости 16 км/ч на 6,5 %; до скорости 96 км/ч на 3,2 %. Наибольший прогресс в этой области достигнут японскими фирмами Ишикава, Мицубиси, Ниссан н фирмой Гарет (США).

Однако для внедрения керамических колес турбин в серийное произ­водство необходимо еще решить ряд технологических вопросов с целью обеспечения стабильности свойств материала, а также приемлемой себе­стоимости таких колес.

Перспективным направлением улучшения характеристик турбокомпрессо­ра является применение воздушного смазывания подшипников.

К преимуществам воздушного смазывания относится малая вязкость воздуха, что обеспечивает значительное снижение потерь на трение в подшипниках и повышение эффективного КПД турбины, особенно заметное в области низких скоростных режимов работы двигателя. Другим важным преимуществом является химическая стабильность воздуха в ши­роком интервале температур. Это, а также возможность отвода отработа­вшего в подшипниках воздуха в проточную часть турбокомпрессора или в окружающую среду позволяет в какой-то мере упростить конструкцию узла подшипников благодаря ненужности сложной теп­лоизоляции и уплотнении.

Исключается ухудшение свойств смазочного материала, используемого в двигателе, которое может наблюдаться вследствие поступления в картер отработавших газов через уплотнение со стороны турбины.

Однако малая вязкость воздуха создает также и основные трудности при отработке конструкции подшипников в связи со значительным сниже­нием жесткости и несущей способности смазочного слоя.

Для создания конструкции газостатических подшипников, пригодной для внедрения в производство, предстоит еще решить ряд важных техни­ческих и технологических проблем. Зарубежные фирмы, выпускающие тур­бокомпрессоры, также ведут работы в этом направлении.

Другим направлением развития конструкции узла подшипников является возвращение к подшипникам качения, применявшимся отдельными фирмами 20...25 лет назад на начальном этапе разработки автомобильных турбо­компрессоров. Подобное техническое решение применила фирма Аэродайн Даллас, которая лишь несколько лет назад начала заниматься автомо­бильными турбокомпрессорами. Особенностью конструкции является распо­ложение подшипников с одной стороны ротора в холодной части турбоком­прессора, отсутствие каких-либо демпфирующих элементов в узле подшип­ников, а также фитильное смазывание подшипников. Хотя фирма и сообщи­ла об успешном испытании турбокомпрессора на двигателях легковых ав­томобилей в 1982-1983 гг., однако до настоящего времени не опубликовано никаких сообщений о начале массового выпуска турбокомпрессора Аэродайн Даллас или о подготовке его производства.

Таким образом, можно выделить следующие перспективные направления развития автомобильных ТКР:

разработка турбин с эффективным регулированием пропускной способ­ности;

разработка подшипников с газовым смазыванием и применение подшип­ников качения;

применение керамических материалов для деталей ТКР;

использование более совершенных технологических приемов, обеспечивающих высокое и стабильное качество изготовления.