4.1. Уменьшение размеров
Инерционность наддува при резком ускорении является основной проблемой развития турбокомпрессоров. Для ее решения конструкторы турбокомпрессоров уменьшают турбины и повышают скорость их вращения.
Например фирмой ККК разработаны новые модели турбокомпрессоров.
Турбокомпрессоры серии К-14, являются развитием конструкции К-24.
Турбокомпрессор К-24 весит 8,1 кг, при этом диаметр ротора этой модели равен 60 мм, а турбокомпрессор К-14 весит уже 4,9 кг, с диаметром ротора 50 мм. Масса ротора турбокомпрессора К-24 весит 0,289 кг, а турбокомпрессора К-14 - уже 0,191 кг. Все это делает инерционные силы на 40% меньше и приводит к более быстрому срабатыванию.
Другой производитель, фирма Garrett также усовершенствовала свои турбокомпрессоры: от более старой модели Т-3 - к новым Т-2, и от старых Т-25 - к новым Т-15, при этом вес последнего всего 3,3 кг, а диаметр ротора равен 43 мм.
Стремление к снижению размеров турбокомпрессоров обусловлено не только соображениями инерционности наддува, также оно заключается в том, что турбокомпрессор и систему промежуточного охлаждения подающегося воздуха все чаще рассматривают как единое целое. К тому же производители автомобилей стараются использовать двигатели меньшего размера, для улучшения аэродинамики автомобилей, а так же это вызвано необходимостью размещать дополнительные устройства, которые повышают комфорт водителя и пассажиров. Для установки катализаторов и уловителей сажи также требуется дополнительное место, поэтому все что устанавливается в подкапотном пространстве должно иметь минимальные размеры.
4.2. Использование керамических материалов
Для более эффективного использования тепловой энергии, производители начали применять новые материалы для внутренних деталей двигателя чтобы снизить потери тепла на систему охлаждения. Это зависит от постоянно возрастающих температур отработанных газов в автомобилях, доходящих до 1250°С.
Поскольку турбиной турбокомпрессора используется часть этой тепловой энергии, он тоже должен выдерживать эти температуры.
Керамический ротор турбины имеет следующие преимущества:
- устойчивость к высоким температурам (выше 1200°С);
- уменьшенный вес (на 90% легче металлического);
- Инерционность значительно ниже (ускорение в два раза быстрее, чем у металлического);
- Уменьшение толщины стенок корпуса турбины и соответственно его веса;
- Корпус уже не должен быть массивным, чтобы выдерживать удары отколовшихся частей ротора, это дает возможность изменять его форму и конструкцию;
- меньший коэффициент температурного расширения. Керамический ротор хуже деформируется. Что дает возможность уменьшить расстояние между лопатками ротора турбины и стенкой ее корпуса, все это повышает эффективность турбины
При создании керамических роторов возникает одна трудность - хрупкость материала, неустойчивого к воздействию микроскопических частиц и усложнение производственного контроля качества.
В данное время проводятся испытания над различными вариантами соединения металлической оси и керамического ротора. Сварка двух различных материалов представляет большую трудность. Созданы также конструкции вала и ротора, которые представлены в виде одной керамической детали.
Помимо использования керамических роторов турбины, производители турбокомпрессоров разрабатывают также корпусы турбины у которых внутреннее керамическое покрытие.
Фирма Garrett создает корпус турбины с сепаратором и собирающей емкостью для борьбы с микроскопическими твердыми частицами в отработанных газах, емкость предназначена для сбора этих частиц.
4.3. Изменение геометрии
Сечение корпуса турбины которое регулируется - это идеал к которому стремились, начиная с 1958 года.
Преимущество турбины с изменяемой геометрией заключается в снижении до минимума инерционности и возможности оптимальной работы турбины на повышенных оборотах, при этом использование регулировочного клапана отпадает.
До недавнего времени создания подобной турбины было безуспешным, так как не было подходящих материалов и существовали технологические ограничения в производстве.
В на сегодняшний момент большинство производителей представили свои турбокомпрессоры с изменяемой геометрией.
Так, производитель Garrett представил турбину с регулируемым сечением и ротором, который содержит дополнительные подвижные лопатки, которые регулируют поток отработанных газов на низких и на высоких оборотах двигателя.
Известна так же другая конструкция этой фирмы которая имеет один подвижный лепесток в канале турбины, который делает меньше сечение и, в связи с этим уменьшает поток газов на низких оборотах. При повышении оборотов лепесток полностью убирается, для максимального использования производительность турбины.
Обе вышеприведенные системы имеют возможность для установки предохранительного клапана во избежания перегрузки.
Другой производитель турбокомпрессоров, фирма ККК, заявила о выпуске дешевого и в тоже время надежного турбокомпрессора с изменяемой геометрией. В этом турбокомпрессоре лопатки свободно колеблются на своих собственных осях, что максимально повышает производительность на любых режимах роботы двигателя. Регулировочное кольцо ограничивает степень открытия лопаток, а его положение определяется положением в котором находиться педаль акселератора.
4.4. турбокомпрессор и применение электроники
Использование надежных предохранительных клапанов дало толчок применению турбокомпрессоров на небольших двигателях.
Давление наддува направляется к мембране, она в свою очередь находится под давлением пружины. При преодолении давления пружины открывается предохранительный клапан. Он отрегулирован чтобы давление наддува находилось ниже уровня, который может способствовать повреждению двигателя.
Эта механическая регулировка не дает возможности полностью использовать энергию отработанных газов.
Для удовлетворения требований, которые в наше время предъявляются к автомобильной технике в области расхода топлива, чистоты отработанных газов, пришлось более критично рассматривать систему управления работой двигателя. Для этого начали использовать микропроцессоры. Компьютерный контроль регулировки происходит в два этапа.
На первом этапе на основании некоторых параметров, таких как температура охлаждающей жидкости, масла и другие, анализируется состояние двигателя. Данные анализируются компьютером и используются для определения идеального для данных условий давления наддува.
Второй этап заключается в передаче этого значения на исполнительные устройства. При определении давления турбонаддува учитываются критические условия работы двигателя.
Этот же компьютер может регулировать иные параметры работы двигателя.