Оглавление - - Назначение системы наддува Форсирование двигателя Типы систем наддува. Инерционный и волновой наддув Типы систем наддува. Электрический и Механический наддув. - Механический наддув. Поршневой наддув - Механический наддув. Мембранный наддув - Механический наддув. Винтовой наддув - Механический наддув. Система наддува ROOTS - Принцип работы системы ROOTS - Схема насосного действия роторов в системе ROOTS Типы систем наддува. Турбонаддув. Устройство турбонаддува. Принцип действия турбонаддува. Регулировка турбонаддува в бензиновом двигателе. - Регулирование турбонаддува с перепуском ОГ - Регулирование турбонаддува с изменяемой геометрией турбины - Регулирование турбонаддува с дросселированной турбиной
Оглавление - Устройство системы наддува в двигателе VW Golf 1. 4 TSI Схема работы наддува двигателя VW Golf 1. 4 TSI Диапазон работы компрессоров Скоростные характеристики двигателя VW Golf 1. 4 TSI Схема прироста мощности двигателя VW Golf 1. 4 TSI Элементы системы наддува. Турбокомпрессор. Элементы системы наддува. Выпускной коллектор. Элементы системы наддува. Охладитель нагнетаемого воздуха. Элементы системы наддува. Вестгейт. Элементы системы наддува. Клапан Blow-off. Элементы системы наддува. Система управления. Многоступенчатый наддув. Переключаемый наддув. Двухступенчатый наддув.
Форсирование двигателя - увеличение частоты вращения коленчатого вала - увеличение коэффициента наполнения Система наддува используется, как средство увеличения КПД двигателя: Повысить термический КПД - увеличение степени сжатия - большой риск возникновения детонации - сложная кинематика механизма Повысить индикаторный КПД: - оптимальное соотношение смеси: топлива и воздуха - качественное приготовление смеси - уменьшение потерь тепла
Форсирование двигателя Повысить эффективный КПД: - уменьшение длины юбки поршня, количества и высоты колец - Уменьшение количества приводимых от коленчатого вала агрегатов - уменьшение потерь на трение в двигателе - обеспечение быстрого прогрева двигателя и поддержанием оптимальной температуры при работе.
Типы систем наддува Инерционный наддув- давление в тракте создается при помощи набегающего потока воздуха Преимущества: сглаживает завихрения воздушного потока. эффективен при высоких скоростях Недостатки: быстро засоряется воздушный фильтр необходима определенная настройка системы питания. Волновой наддув- повышение коэффициента наполнения, за счет перепада давлений, между открытыми впускным и выпускным клапанами в фазе продувки за счет использования волновых эффектов Преимущества: эффективен при очень узком диапазоне оборотов Недостатки: Высокая стоимость.
Типы систем наддува Электрический наддув- требует мощного электродвигателя Преимущества: - Доступность - Прост в эксплуатации Недостатки: - Малая эффективность - Проблема обеднение подаваемой топливовоздушной смеси Механический наддув - в котором требуемая на сжатие воздуха мощность отбирается от коленчатого вала двигателя (механическая связь двигатель/нагнетатель). Преимущества: - Существенно повышает наполнение цилиндров топливовоздушной смесью - Понижает степень сжатия, что понижает детонацию - Усиление шатунно-поршневой группы Недостатки: - Забирает часть мощности с двигателя на вращение крыльчаток компрессора - Высокая стоимость
Типы систем наддува. Механический наддув. Поршневой нагнетатель поршень сжимает воздух, который потом подается через выпускной клапан к цилиндрам двигателя. 1. 2. 3. 4. 5. Впускной клапан Выпускной клапан Поршень Приводной (коленчатый)вал Картер нагнетателя
Механический наддув. Мембранный нагнетатель мембрана сжимает воздух, который через выпускной клапан подается в двигатель 1. 2. 3. 4. Впускной клапан Выпускной клапан Мембрана Приводной (кулачковый) вал
Механический наддув. Винтовой нагнетатель. воздух сжимают две лопасти, имеющие форму винта и вращающиеся на встречу другу 1. 2. 3. 4. Приводной вал Подача воздуха на сжатие Подача сжатого воздуха Винтообразные лопасти
Механический наддув. Нагнетатели системы ROOTS основу данной конструкции представляют два вращающихся ротора, приводимых в движение шестернями. 1. Корпус нагнетателя 2. Ротор - - Преимущества: Нагнетатель обеспечивает более высокий крутящий момент при более низком числе оборотов Имеет меньшее запаздывание по времени Хорошая чувствительность Недостатки: Давно не используется
Типы систем наддува Турбонаддув - в котором требуемая на сжатие воздуха мощность отбирается от ОГ (газодинамическая связь двигатель/нагнетатель); Преимущества: - Высокие температуры, приводят к более эффективной работе - Замена кривошипно-шатунного, деталей системы топливо отдачи, впускного и выпускного коллектора Недостатки: - Еще большая стоимость по сравнению с механическим нагнетателем - Отбирает часть мощности двигателя за счет возрастания противодавления на выпуске - Проблема инерционности - Высокий износ подшипников Различают два принципа наддува - Наддув с постоянным давлением - турбина может пропускать больше отработавших газов, при меньшем давлении, в области повышенных нагрузок двигателя Сокращает расход топлива Импульсный наддув обеспечивает более высокий крутящий момент на низких частотах вращения коленчатого вала
Устройство турбонаддува 1. Канал подачи ОГ 2. Крыльчатка турбины 3. Подвижная лопатка соплового аппарата 4. Патрубок подачи разрежения 5. Кольцо регулирования подвижных лопаток соплового аппарата 6. Подача смазки 7. Подача свежего воздуха к нагнетателю 8. Подача сжатого воздуха к двигателю
Регулировка турбонаддува в бензиновом двигателе. 1 - датчик частоты вращения коленчатого вала; 2 - охладитель наддувоч-ного воздуха; 3 - датчик давления наддува; 4 - клапан перепуска воздуха; 5 - калиброванное отверстие; 6 - измеритель расхода воздуха; 7 - соленоидный клапан; 8 - сервопривод перепускного клапана (мембранное устройство); 9 - турбокомпрессор; 10 - клапан перепуска газов мимо турбины; 11 - выпускной коллектор; 12 - датчик детонации; 13 - микропроцессор; 14 - датчик-указатель положения дроссельной заслонки; 15 - впускной коллектор; 16- датчик температуры воздуха.
Регулирование турбонаддува Для того, чтобы при больших скоростях отработавших газов, нагнетатель, не перегружали двигатель и сам не выходил из строя, давление наддува необходимо регулировать, для этого используют три конструктивных варианта: - Нагнетатель с перепуском отработавших газов при высоких нагрузках на двигатель, часть потока отработавших газов, направляется мимо турбины, прямо в систему выпуска отработавших газов. 1. Электропневматический преобразователь давления наддува 2. Вакуумный насос 3. Исполнительный механизм перепускного клапана 4. Корпус турбины 5. Перепускной клапан 6. Канал подачи ОГ к турбине 7. Канал подачи сжатого воздуха во впускной тракт 8. Газовая турбина 9. Компрессор
Регулирование турбонаддува Нагнетатель с изменяемой геометрией турбины дает возможность ограничить поток отработавших газов через турбину при высокой частоте вращения коленчатого вала а- Положение направляющих лопаток при высокой скорости потока ОГ b- Положение направляющих лопаток при низкой скорости потока ОГ 1. Крыльчатка турбины 2. Управляющее кольцо 3. Подвижные направляющие лопатки соплового аппарата 4. Управляющий рычаг 5. Управляющий пневматический цилиндр 6. Поток ОГ Высокая скорость потока ОГ Низкая скорость потока ОГ
Регулирование турбонаддува с изменяемой геометрией турбины Преимущества: - Возможность регулирования поступления потока отработавших газов через крыльчатки турбины - Безопасен, при отказе системы управления, ни нагнетатель, ни двигатель не повреждается. Недостатки: - Используется, только на дизельных двигателях.
Регулирование турбонаддува. Нагнетатель с изменяемой геометрией турбины Налаживающее кольцо Поддержив ающее кольцо Ведущая пластина вал Переменная лопасть Изменение контроля Контролирующа я пластина Соединение с вакуумной единицей
- Регулирование турбонаддува Нагнетатель с дросселированной турбиной регулировочная заслонка постепенным открытием подводимых каналов изменяет в этой конструкции проходное сечение для потока отработавших газов к турбине а - открыт один подводной канал b - открыты два подводных канала 1. Газовая турбина 2. Подводной канал 3. Подводной канал 4. Регулировочная заслонка 5. Перепускной канал 6. Тяга управления заслонкой
Регулирование турбонаддува Нагнетатель с дросселированной турбиной Преимущества: - Способность регулирования частоты вращения вала турбины - Наличие перепускного клапана, дает возможность отвести поток ОГ от турбины.
Аномальное сгорание - топлива Детонация – очень быстрое сгорание топлива в точках, удаленных от свечи, сопровождаемое резким местным перегревом и перегрузкой деталей двигателя. - Калильное зажигание – преждевременное воспламенение смеси от перегретых деталей камеры сгорания. Последствия аномального сгорания топлива - Прогар поршня, - Прогар гильзы, - Закоксовывание масла, - Перегрев двигателя.
Устройство системы наддува в двигателе VW Golf 1. 4 FSI Из воздушного фильтра (1) воздух поступает в компрессор (2), затем в Турбонагнетатель (3), а оттуда через трубопровод интеркулера (4) во впускной коллектор (5).
Элементы системы наддува 1. Турбокомпрессор (турбина) – нагнетает воздух в двигатель под давлением. увеличивает мощность двигателя Подача масла корпус Переменная лопасть Выхлопной выход Колесо турбины Поток воздуха из двигателя Налаживающее кольцо Нагнетающее колесо Поступающий воздух
Элементы системы наддува 2. Выпускной коллектор присоединяет турбину к двигателю Коллекторы выполняются из чугуна или из нержавеющей жаропрочной стали
Элементы системы наддува 3. Охладитель наддувного воздуха похоже на радиатор устанавливается между турбиной и впускным коллектором предназначено для охлаждения бывают типы «воздух-воздух» и «воздух-вода» .
Элементы системы наддува 4. Вестгейт (wastegate) – перепускной клапан стравливает лишнее давление выхлопных газов до турбины бывают различного диаметра проходного сечения (38 – 60 мм) стравливают газы в атмосферу либо в выпускную систему после турбины.
Элементы системы наддува 5. Клапан BLOW-OFF устанавливается между турбиной и впускным трубопроводом стравливает лишнее давление воздуха при переключении передач
Элементы системы наддува 6. Система управления. Устанавливается для управления подачей топлива и картой зажигания. Существуют системы управления (АБИТ и др.) которые можно настраивать под конкретный автомобиль.
Многоступенчатый наддув позволяет: существенно расширить пределы регулирования мощности, удается улучшить, как подачу воздуха в цилиндры, так и удельный расход топлива Переключаемый наддув При увеличивающейся нагрузке на двигатель, есть возможность подключения одного или нескольких нагнетателей. Преимущества - достижение двух, или больше, максимумов КПД Недостатки - Дороговизна системы, переключения нагнетателей
Двухступенчатый наддув последовательное подключение двух турбонагнетателей различной мощности, оснащенных байпасным регулированием. Преимущества: - быстрота достижения высокого уровня наддува - простота регулирования 1. Ступень низкого давления (турбонагнетатель с охлаждением наддувочного воздуха) 2. Ступень высокого давления (турбонагнетатель с охлаждением наддувочного воздуха) 3. Впускной коллектор 4. Выпускной коллектор 5. Перепускной клапан 6. Перепускная магистраль
Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже
Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.
Размещено на http://www.allbest.ru/
Введение
2. Виды наддува
3. Преимущества и недостатки различных видов наддува
4. Пределы повышения мощности путем наддува
Используемая литература
Введение
Одним из актуальных вопросов современного мирового и отечественного автомобильного и тракторного двигателестроения является вопрос производства в России эффективных и надежных турбокомпрессоров, не- обходимых для выпуска двигателей, удовлетворяющих экологическим требованиям Евро-3 и выше.
В 90-е годы сформировалась и полностью апробирована ведущими мировыми производителями и разработчиками дизельных двигателей концепция о том, что система турбонаддува является неотъемлемым компонентом современного экологически чистого двигателя. При этом турбо- наддув, в отличие от 70-80-х годов, перестал рассматриваться как средство форсирования двигателей и практически 100% современных базовых моделей проектируются и разрабатываются только с наддувом. Экологические приоритеты при разработке в настоящее время дизелей являются определяющими, а требования по выполнению все время ужесточающихся норм приводят к пересмотру уже утвердившихся подходов к разработке двигателей, а также систем и агрегатов наддува. Изменения эти происходят во всем мире очень динамично и устоявшиеся в течение десятилетий подходы рушатся на наших глазах при переходе от норм Евро-2 к Евро-3, а перспективные требования по экологии на 10-15 лет вперед резко активизировали исследования по созданию и оптимизации систем и агрегатов наддува.
наддув двигатель агрегатный мощность
1. Наддув
Наддув -- увеличение количества свежего заряда горючей смеси, подаваемой в двигатель внутреннего сгорания, за счёт повышения давления при впуске. Наддув обычно применяют с целью повышения мощности (на 20-45 %) без увеличения массы и габаритов двигателя, а также для компенсации падения мощности в условиях высокогорья. Наддув с «качественным регулированием» может применяться для снижения токсичности и дымности отработавших газов. Агрегатный наддув осуществляется с помощью компрессора, турбокомпрессора или комбинированно. Наибольшее распространение получил наддув с помощью турбокомпрессора, для привода которого используется энергия отработавших газов.
Агрегатный наддув применяют почти на всех видах транспортных дизелей (судовых, тепловозных, тракторных). Наддув на карбюраторных двигателях ограничивается возникновением детонации. К основным недостаткам агрегатного наддува относят:
· повышение механической и тепловой напряжённости двигателя вследствие увеличения давления и температуры газов;
· снижение экономичности;
· усложнение конструкции.
Всё большее распространение на транспортных двигателях внутреннего сгорания получает динамический наддув, который при несущественных изменениях в конструкции трубопроводов приводит к повышению коэффициента наполнения до в широком диапазоне изменения частоты вращения двигателя. Увеличение при наддуве позволяет форсировать дизель по энергетическим показателям в случае одновременного увеличения цикловой подачи топлива или улучшить экономические показатели при сохранении мощностных (при той же цикловой подаче топлива). Динамический наддув повышает долговечность деталей цилиндро-поршневой группы благодаря более низким тепловым режимам при работе на бедных смесях.
2. Виды наддува
Со времени, когда очевидной стала необходимость применения наддува двигателей, появилось множество вариантов наддува. Основными видами наддува являются следующие:
Рисунок 1- Виды наддува
Системы наддува можно квалифицировать по:
1) способу подачи воздуха без нагнетателя за счет инерции столба самого воздуха или газа;
2) конструкции нагнетателя;
3) виду привода нагнетателя;
4) типу связи между наддувочным агрегатом и двигателем.
Инерционный наддув (без нагнетателя, называемый еще «резонансным», «волновым», «акустическим») осуществляется за счет колебания давления во впускном трубопроводе поршневого двигателя. Волна понижения давления во впускном трубопроводе у входа в цилиндр во время такта впуска со скоростью звука перемещается до противоположного открытого конца трубопровода, отражается от него и в виде волны давления движется опять же со скоростью звука ко впускному клапану. Выбирая длину трубопровода таким образом, чтобы волна давления подходила к заключительному периоду впуска, можно обеспечить подачу заряда в цилиндр под избыточным давлением, осуществляя тем самым наддув двигателя (Рисунок 2).
Рисунок 2- Схема впускного тракта 1- корпус воздухоочистителя или специальный резонатор
Необходимую для этого длину трубопровода l можно рассчитать по времени ф прохождения волны от клапана к открытому концу трубопровода и обратно.
Энергия для «разгона» столба воздуха во впускном трубопроводе берется за счет дополнительной работы поршня, т.е. за счет повышения насосных и механических потерь двигателя.
Инерционный наддув как самостоятельная система наддува применяется в двигателях легковых автомобилей. Длина впускного трубопровода может изменяться в зависимости от скоростного режима двигателя, обеспечивая тем самым высокое наполнение цилиндров двигателя в широком диапазоне режимов.
В сочетании с газотурбинным наддувом инерционный наддув применялся в дизелях грузовых автомобилей -- система комбинированного наддува Шера (Рисунок 3).
Уровень повышения давления наддува при инерционном наддуве сравнительно невелик, поэтому такие системы обычно используются не для повышения максимальной мощности двигателя, а для улучшения протекания характеристики крутящего момента.
Рисунок 3- Система комбинированного наддува, предложенная Г. Шером
Другой известный способ подачи воздуха в цилиндры двигателя под повышенным давлением -- это использование волн давления выпускных газов в газодинамической машине «Компрекс» (наименование «Comprex» происходит от английских слов compression - сжатие и expanding - расширение) (Рисунок 4).
Принцип действия этой системы основан на том, что волна давления, проходящая через канал трубопровода, отражается на свободном конце отрицательно, т.е. как волна разрежения, а на закрытом конце как волна давления, и, наоборот, всасывающая волна на открытом конце отражается как волна давления, а на закрытом конце -- как волна всасывающая.
Система «Компрекс» состоит из ротора с осевыми каналами -- ячейками трапецеидального сечения, открытыми с торцов. Ротор, укрепленный в подшипниках и окруженный кожухом, приводится во вращение через ременную передачу от коленчатого вала двигателя. Мощность, необходимая для вращения ротора, невелика, т.к. она расходуется только на преодоление трения в подшипниках и вентиляционных потерь.
Рисунок 4- Схема устройства системы наддува «Компрекс» 1 -- выпускной трубопровод; 2 -- впускной трубопровод; ВНД -- воздух низкого давления; ВВД -- воздух высокого давления; ГВД -- газ высокого давления; ГНД -- газ низкого давления; Р -- ротор.
Воздушные и газовые каналы сходятся на торцевых сторонах корпуса. Осевые каналы -- ячейки ротора -- совпадают поочередно то с торцевыми стенками корпуса нагнетателя, то с впускными или выпускными трубопроводами, ведущими либо к двигателю, либо к атмосфере через воздухоочиститель или глушитель.
Привод агрегатов наддува может осуществляться:
1) от коленчатого вала ДВС прямо или через отключаемое устройство («приводные нагнетатели»);
2) от постороннего источника энергии, например, так называемый «е-привод» - от электродвигателя («электроподдерживаемый наддув»);
3) от турбины, использующей энергию отработавших газов ДВС (турбокомпрессоры).
В качестве приводных нагнетателей используют либо объемные нагнетатели (поршневые, роторно-шестеренчатые (типа «Рутс»), роторновинтовые, роторно-пластинчатые (шиберные)), либо лопаточные (как правило, центробежные). В приводном нагнетателе типа «Рутс» (Рисунок 5) два ротора особой формы, оси которых связаны между собой, при помощи шестерен соединенные с ведущей шестеренкой нагнетателя, которая, в свою очередь, связана со шкивом, приводимым в движение коленчатым валом посредством ременчатой передачи. Вращающиеся в противоположных направлениях роторы буквально «всасывают» воздух через входное отверстие, проталкивая воздушные потоки в т. н. распределительный отсек.
Рисунок 5- Приводной нагнетатель типа «Рутс»
Другой представитель механических нагнетателей - винтовой (нагнетатель Линхольма) по своей форме и структуре очень похож на нагнетатель Рутса (Рисунок 6), но на поверку отличается от него кардинально.
Рисунок 6- Приводной нагнетатель Линхольма
Формы роторов винтового нагнетателя более заострены, а сами они напоминают саморезы или винты мясорубки. При вращении роторов воздух, попадающий внутрь нагнетателя, прогоняется через этот конвейер спиралей и к выходу из корпуса уже находится в сжатом состоянии. Кроме того, воздух сжимается уже внутри устройства, а это значит, что неоткуда будет взяться тем силам противодействия, что выталкивают воздух назад в нагнетателе типа «Рутс».
Приводные центробежные нагнетатели (Рисунок 7) выполнены в форме улитки и обладают примерно теми же свойствами, что и турбины.
Рисунок 7- Приводной центробежный нагнетатель
Воздух, попадая в корпус нагнетателя, подхватывается лопастями рабочего колеса и, раскручиваясь, центробежными силами прижимается к внешним стенкам корпуса. На этом этапе воздушный поток достигает огромной скорости, но пока его давление слишком мало. Затем при помощи диффузора достигается обратный эффект: при выходе из нагнетателя скорость воздушного потока уменьшается, а давление, наоборот, возрастает, за счет «поджимающего» сзади воздуха. Эффективность центробежных нагнетателей пропорциональна оборотам двигателя. На низких оборотах прирост мощности практически не ощущается (хотя он и больше, чем у той же турбины), зато на средних и высоких мощность взмывает вверх.
Двигатели с газотурбинным наддувом часто называют «турбопоршневыми двигателями» или «комбинированными двигателями».
У турбокомпрессора (Рисунок 8) колесо компрессора и колесо турбины сидят на одном валу. Энергия потока отработавших газов, которая в обычных двигателях не используется, преобразовывается здесь в крутящий момент - выходящие из цилиндров двигателя отработавшие газы подаются на колесо турбины, где их кинетическая энергия преобразуется в механическую энергию вращения (крутящий момент). Колесо компрессора засасывает свежий воздух через воздушный фильтр, сжимает его и подает в цилиндры двигателя. Количество топлива, которое можно смешать с воздухом, при этом можно увеличить, что позволяет двигателю развивать большую мощность. Существует также множество других конструкций турбокомпрессоров.
Рисунок 8- Турбокомпрессор
3. Преимущества и недостатки различных видов наддува
Наддув приводными объемными нагнетателями обеспечивает быстрое реагирование на изменение скоростного режима двигателя.
Недостатки способа -- большие механические потери на малых нагрузках, сравнительно большие размеры и масса агрегатов наддува, наличие механической передачи, зачастую сложность размещения на двигателе. В значительной мере это относится и к центробежным приводным нагнетателям. Для наиболее рационального использования приводных объемных нагнетателей необходимо устройство, обеспечивающее отключение их от двигателя при малых нагрузках, когда нет необходимости в наддуве. Кроме того, механические нагнетатели снижают к.п.д. двигателя, т.к. на их привод расходуется часть мощности силового агрегата.
К достоинствам объемного нагнетателя типа «Рутс» относятся высокая эффективность на малых и средних оборотах, долговечность конструкции и низкий шум. Однако, при достижении определенного давления воздух начинает просачиваться назад, снижая к.п.д. системы.
Винтовые нагнетатели типа «Лисхольм» эффективны практически во всем диапазоне оборотов двигателя, компактны, бесшумны, но очень сложны в изготовлении, следовательно, дороги.
Волновые обменники «Компрекс» хотя и обеспечивают быстрое реагирование на изменение режима ДВС, не способны развивать высокие давления наддува, громоздки, требуют механического привода.
Наиболее удачным оказался газотурбинный наддув в широком диапазоне размеров ДВС от мотоциклетных до судовых мощностью в десятки тысяч киловатт. Преимущества этого вида наддува: более полное использование энергии топлива за счет расширения полезной площади термодинамического цикла, автоматическая подстройка (хотя и не всегда достаточная для транспортных двигателей) к изменению режима работы ДВС, сравнительно малые размеры и масса, относительная свобода размещения на двигателе. Недостатки турбонаддува - ухудшение приемистости двигателя -- в значительной мере нивелируются применением специальных мер регулирования давления наддува, уменьшением инерции вращающихся частей турбокомпрессоров.
4. Пределы повышения мощности путем наддува
Уменьшение теплоиспользования и механического к. п. д. приводит к тому, что мощность увеличивается медленнее, чем давление наддува"; в частности, при переходе от питания без наддува к питанию с наддувом 2 ата мощность увеличивается не вдвое, а приблизительно на 80%.
Отсюда возникает вопрос, каков целесообразный предел повышения давления наддува и не наступит ли такой момент, когда улучшение наполнения окажется не в состоянии компенсировать затрату мощности на нагнетатель и ухудшение теплоиспользования.
Результаты аналитического исследования этой проблемы подтверждают такие опасения и могут быть представлены графически (рис. 77).
Кривая р е дает изменение среднего эффективного давления в зависимости от давления наддува, отложенного по оси абсцисс, без учета затраты мощности на привод нагнетателя. Кривая р ек изображает часть среднего эффективного давления, затрачиваемого на привод; нагнетателя, также в зависимости от давления: наддува. Как видно по графику, рост р ек вначале отстает от роста р е, а при дальнейшем увеличении давления наддува разрыв между этими величинами быстро уменьшается. Чтобы получить среднее эффективное давление, соответствующее эффективной мощности двигателя, достаточно отнять от ординат кривой р е ординаты кривой р ек. Тогда получим кривую р е. изменения среднего эффективного давления двигателя в зависимости от давления наддува. Точкой перегиба а определяется наивыгоднейшее давление наддува -- около 5 ата, при котором среднееэффективное давление и мощность достигают максимума. График рис. 77 построен из расчета сохранения конечного давления сжатия равным 16,7 am при4 различных давлениях наддува; это соответствует степени сжатия е = 7,5 для двигателя без наддува. Повышенным давлениям наддува соответствуют уменьшенные степени сжатия; для критического давления наддува 5 атм степень сжатия е = 2,3. Кроме конечного давления сжатия, в основу графика положены еще другие конкретные данные. Поэтому нельзя считать 5 атм наивыгоднейшим давлением наддува для всех типов двигателей. Точные вычисления критического давления наддува вообще едва ли возможны, так как весьма трудно» учесть все условия работы машины, свойства топлива и тем более конструктивные особенности двигателя. Поэтому рис. 77 приводится только для того, чтобы показать существование предела увеличения мощности двигателя, снабженного приводным нагнетателем. В настоящее время применяются более низкие давления наддува по сравнению с предельным; значением, полученным на графике.
Следует заметить, что даже если не учитывать потерю мощности на привод нагнетателя, мощность двигателя все же не будет повышаться безгранично, так как чем сильнее сжимают горючую смесь в нагнетателе, тем меньшую степень сжатия можно использовать в двигателе при определенной детонационной стойкости топлива и, следовательно, в предельном случае все сжатие смеси происходит в нагнетателе, а степень сжатия (и степень: расширения) двигателя равна единице; при этом мощность двигателя равна нулю.
Таким образом, улучшение наполнения при наддуве компенсирует ухудшение термического к. п. д. и затрату мощности на нагнетатель только до некоторого значения давления наддува.
Вывод
Итак: цель наддува ДВС -- повышение его удельной (отнесенной к единице рабочего объема цилиндров, массы, габаритов) мощности за счет увеличения подачи топлива и соответственно требуемой для его сгорания массы воздуха. Увеличение удельной мощности ДВС позволяет сохранить его размеры и массу, стоимость, а также размеры и массу транспортного средства, на котором установлен двигатель, увеличить грузоподъемность, скорость.
Наддув ДВС с искровым зажиганием, как правило, с охлаждением наддувочного воздуха, повышает удельную мощность ДВС и улучшает динамические качества автомобиля.
В ряде стран автомобили с двигателями с наддувом и малым рабочим объемом цилиндров облагаются меньшими налогами. Увеличение коэффициента избытка воздуха при наддуве дизелей (особенно с охлаждением наддувочного воздуха) позволяет повысить эффективный к.п.д. (снизить удельный расход топлива) двигателя, а главное - уменьшить вредные выбросы с отработавшими газами.
Газотурбинный наддув уменьшает шум выпуска.
Использованная литература
1.Б.Н. Давыдков В.Н. Каминский Системы и агрегаты наддува транспортных двигателей- учебное пособие Москва 2011 год
2. wikipedia.org/wiki/Наддув
Размещено на Allbest.ru
...Подобные документы
Улучшение топливных, энергетических и ресурсных показателей автотракторных двигателей. Характеристика дизеля Д-245, обоснование системы наддува. Определение индикаторных и эффективных показателей двигателя. Схема и режимы работы системы наддува дизеля.
дипломная работа , добавлен 18.11.2011
Выбор давления наддува и схемы воздухоснабжения дизеля. Процесс наполнения цилиндра. Цикл Миллера. Расчетное среднее индикаторное давление. Эффективные показатели работы двигателя. Определение мощности агрегатов наддува. Кривошипно-шатунный механизм.
курсовая работа , добавлен 06.01.2017
Общая характеристика и принцип работы системы наддува отработанных газов дизеля М-756, его устройство и основные элементы. Порядок разборки, ремонта и сборки турбокомпрессора, впускных и выпускных коллекторов. Техника безопасности при проведении работ.
курсовая работа , добавлен 19.05.2009
Общая характеристика судовых двигателей внутреннего сгорания, описание конструкции и технические данные двигателя L21/31. Расчет рабочего цикла и процесса газообмена, особенности системы наддува. Детальное изучение топливной аппаратуры судовых двигателей.
курсовая работа , добавлен 26.03.2011
Особенности электростартерного пуска, его стадии, факторы влияния, устройства облегчения. Анализ внутрицилиндровых процессов. Расчеты ожидаемых параметров по температуре конца сжатия. Функциональная схема и принцип работы пускового наддува, его описание.
дипломная работа , добавлен 23.03.2012
Общие сведения о наддуве в дизельных двигателях. Контроль и диагностика процессов воздухоснабжения. Характеристика газотурбинного наддува четырехтактного дизеля. Регулировки, неисправности дизельных двигателей с турбонаддувом и способы их устранения.
курсовая работа , добавлен 01.09.2012
Общие принципы работы тепловозных дизелей. Идеальный цикл Карно. Схемы устройства, принципов работы и индикаторные диаграммы четырехтактного дизеля. Дизельное топливо и варианты наддува цилиндров. Состав сырой нефти. Схема роторного нагнетателя воздуха.
курсовая работа , добавлен 27.07.2013
Обоснование основных размеров D и S и числа цилиндров и дизеля. Расчет процесса наполнения, сгорания, сжатия и расширения. Расчет систем наддува и процесса газообмена. Индикаторные и эффективные показатели дизеля. Выбор числа и типа турбокомпрессора.
курсовая работа , добавлен 25.03.2011
История вопроса и пути совершенствования методов прямого сжигания твердых топлив в поршневых двигателях внутреннего сгорания. Теоретические аспекты выгорания твердого топлива в рабочем пространстве двигателя при его сжигании объемным и слоевым способом.
книга , добавлен 17.04.2010
Способы увеличения мощности двигателя: форсирование, увеличение степени сжатия и повышение момента двигателя за счет сдвига пика максимального давления. Переделка дизеля, для создания бензинового двигателя внутреннего сгорания с непосредственным впрыском.
Наддув - увеличение количества свежего заряда горючей смеси, подаваемой в двигатель внутреннего сгорания, за счёт повышения давления при впуске. Позволяет повысит мощность двигателя.
Виды наддува
В ДВС применяют три типа наддува:резонансный –при котором используется кинетическая энергия объема воздуха во впускных коллекторах (нагнетатель в этом случае не нужен).
механический – в этом варианте компрессор приводится во вращение ремнем от двигателя.
газотурбинный (или турбонаддув) – турбина приводится в движение потоком отработавших газов.
Механический наддув. (воздух закачивается компрессором) .
Механические нагнетатели позволяют довольно простым способом существенно поднять мощность мотора. Имея привод непосредственно от коленчатого вала двигателя, компрессор способен закачивать воздух в цилиндры при минимальных оборотах и без задержки увеличивать давление наддува строго пропорционально оборотам мотора.
Существует два вида механических нагнетателей: объемные и центробежные.
Конструкция
Roots напоминает масляный шестеренчатый
насос. Два ротора вращаются в
противоположные стороны внутри овального
корпуса. Оси роторов связаны между
собой шестернями. Особенность такой
конструкции в том, что воздух сжимается
не в нагнетателе, а снаружи – в
трубопроводе, попадая в пространство
между корпусом и роторами.
Еще один способ нагнетать во впускной коллектор воздух под избыточным давлением в свое время предложил инженер Лисхольм .
Внутри
корпуса установлены два взаимодополняющих
винтовых насоса (шнека). Вращаясь в
разные стороны, они захватывают порцию
воздуха, сжимают и загоняют ее в цилиндры.
Характерна такая система внутренним
сжатием и минимальными потерями,
благодаря точно выверенным зазорам.
Кроме того, винтовые наддувы эффективны
практически во всем диапазоне оборотов
двигателя, бесшумны, очень компактны,
но чрезвычайно дороги из-за сложности
в изготовлении.
Центробежные нагнетатели по конструкции напоминают турбонаддув. Избыточное давление во впускном коллекторе также создает компрессорное колесо (крыльчатка). Его радиальные лопасти захватывают и отбрасывают воздух в окружной тоннель при помощи центробежной силы. Отличие от турбонаддува лишь в приводе.
Схема
управления механическим нагнетателем
довольно проста.
При полной нагрузке заслонка перепускного
трубопровода закрыта, а дроссельная
открыта - весь поток воздуха поступает
в двигатель. При работе с частичной
нагрузкой дроссельная заслонка
закрывается, а заслонка трубопровода
открывается - избыток воздуха
возвращается на вход нагнетателя.
Входящий в схему охладитель наддувочного
воздуха (Intercooler) является почти непременной
составной частью не только механических,
но и газотурбинных систем наддува. При
сжатии в компрессоре (либо в нагнетателе)
воздух нагревается, в результате чего
его плотность уменьшается. Это приводит
к тому, что в рабочем объеме цилиндра
воздуха, а, следовательно, и кислорода,
по массе помещается меньше, чем могло
бы поместиться при отсутствии нагревания.
Поэтому сжатый воздух перед подачей
его в
цилиндры
двигателя
предварительно охлаждается в интеркулере.
По своей конструкции это обычный
радиатор, который охлаждается либо
потоком набегающего воздуха, либо
охлаждающей жидкостью. Понижение
температуры наддувочного воздуха на
10 градусов позволяет увеличить его
плотность примерно на 3%. Это, в свою
очередь, позволяет увеличить мощность
двигателя примерно на такой же процент.
Турбокомрессор.
Принцип действия турбокомпрессоров для наддува ДВС заключается в следующем - выхлопные газы ДВС, обладая большой скоростью и большой температурой попадают на сопловой аппарат турбины, где происходит их максимальный разгон и подача на рабочие лопатки турбины под правильным углом, при подаче на рабочие лопатки турбины происходит вращение турбины, которая в свою очередь вращает крыльчатку компрессора, насаженную на один вал с колесом турбины. Колесо компрессора представляет собой вращающий направляющий аппарат и крыльчатку, которые чаще всего соединены вместе в одну деталь.
Наддув начал использоваться на практике, как только конструкторы определили важнейший автомобильный приоритет – высокую удельную мощность при возможно меньших габаритах мотора. Первым нагнетателем, появившемся на автомобильном двигателе (если не считать самых ранних поршневых компрессоров), стал принудительный или механический нагнетатель типа «Рутс» («Roots»), хорошо зарекомендовавший себя в промышленности. Это произошло в 1885 году , когда Готтлиб Даймлер запатентовал нагнетатель собственной конструкции, работавший по принципу нагнетателя братьев Рутс. В 1902 г. во Франции Луис Рено запатентовал проект центробежного нагнетателя, а уже в 1911 г. принцип действия турбонагнетателя, работающего на энергии выхлопных газов, впервые описал и запатентовал швейцарский изобретатель Альфред Бюхи.
Наддув Повышение давления воздуха при впуске в двигатель внутреннего сгорания с целью увеличения количества подаваемого топлива и, соответственно, мощности снимаемой с единицы объёма двигателя. Нагнетатель (компрессор) Механизм для сжатия и подачи газов под давлением.
Однако быстрое решение задачи (литровая мощность действительно заметно увеличилась) оказалось не таким удачным, как представлялось вначале. Существенно возросший приток тепла, который несли отработавшие газы, преждевременно выводил из строя выпускные клапаны, поршни и систему охлаждения. Несоответствие конструкции и применявшихся материалов задержало развитие наддува на автомобиле.
Следующий шаг сделали авиационные двигателисты. Первым авиационным двигателем с механическим наддувом считается двухтактный ротативный двигатель «Мюррей-Вильята», на самолёте с которым в 1910 г. был установлен рекорд высоты в 5200 м. В 1918 г., на один из истребителей «SPAD» S.XIIIC» был установлен турбонаддувный агрегат «Рато» («Rateau»), который не дал преимуществ самолёту (в связи с недостатками его конструкции и недостаточной для привода турбины мощностью авиадвигателя первых модификаций «Испано-Сюиза» 8-й серии). Но уже в том же году турбонаддувным агрегатом «Рато» был оснащен более мощный чем «Испано-Сюиза» двигатель «Либерти» L-12», а в 1920 г. биплан «Lepere» с этим двигателем поднялся на рекордную по тем временам высоту - 10092 м. Важные исследования, проведенные совместно с металлургами, позволили наладить выпуск поршней, клапанов и подшипников, отвечавших более жестким требованиям. В итоге, наддув всерьез и надолго прижился в авиации.
Внедрению систем наддува не в небесах, а на земле помог автомобильный спорт, где требовались мощные и легкие моторы. Первыми разработали спортивные двигатели с наддувом «Daimler» (1921 г.), «Sunbeam» и «FIAT» (1922 г.). Именно итальянский гоночный «FIAT», выиграв в 1923 г. Большой приз Европы, открыл список побед системы-новинки. В следующем, 1924 г. компрессорные «Alfa Romeo» и «Daimler» завоевали, соответственно, Большой приз автомобильного клуба Франции и первое место в гонках Тарга Флорио в Италии. Уже первые нагнетатели повышали мощность на 50-70%. Например, у 2-литрового двигателя «Delage» после введения наддува мощность возросла со 125 до 190 л.с., т.е. на 52%!
Рассмотрим явление наддува подробнее. Так как подача необходимого количества топлива технических затруднений не вызывает, то мощность двигателя зависит, главным образом, от поступающей в цилиндры за единицу времени массы воздуха. Этот показатель, в свою очередь, связан с рабочим объемом мотора, частотой вращения коленчатого вала (предел здесь - допустимое значение средней скорости поршня) и объемным КПД (коэффициентом наполнения). Стало быть, при заданных условиях увеличить массу воздуха, проходящего через цилиндры, можно только через наддув. Нагнетая воздух в цилиндр принудительно, на современном двигателе можно без особых проблем получить 25%-ную прибавку к мощности, а с интеркулером мощность можно удвоить.
Высокая температура и давление подаваемого в цилиндры воздуха может привести к тому, что в конце такта сжатия, когда поршень спрессует в цилиндре и так уже сжатую топливо-воздушную смесь, ее температура и давление могут оказаться настолько высокими, что это вызовет преждевременную ее детонацию – это явление очень опасно для бензинового двигателя, так как ведёт к его катастрофическому износу. Дабы избежать подобных проблем, можно перейти на более высокооктановые сорта топлива, но чаще всего этого оказывается мало. При достаточно больших значениях давления приходится производить декомпрессию, т.е. снижать степень сжатия.
Сниженная же степень сжатия отрицательно влияла на КПД и экономичность. В итоге приводные нагнетатели рекомендовались лишь для крайних случаев. В инструкции 1937 г. для легкового автомобиля «Mercedes-Benz» 540K» (на этой модели, кстати, карбюратор дополняли специальные клапаны, включавшиеся одновременно с компрессором) говорилось: «Включайте компрессор (при 1000 оборотов в минуту) только в случае острой необходимости, например, для быстрого проезда перекрестков, ускоренных разгонов, преодоления коротких крутых подъемов и т.д. Продолжительность работы мотора с компрессором не должна превышать 1 минуту, а при достижении 3400 об/мин отключите систему немедленно».
Несмотря на попытки «Lancia», «Volkswagen», «General Motors» в 70-80-е годы усовершенствовать нагнетатели, приводные компрессоры постепенно сошли со сцены. Сейчас они применяются в основном различными тюнинг-ателье и гаражными «умельцами» для форсирования двигателей и очень редко стоят на серийных автомобилях. Крупные автопроизодителям используют нагнетатели в том случае, когда необходимо создать ряд двигателей разной мощности без существенной переделки конструкции базового двигателя.
Самая современная система с принудительным нагнетателем, установленная на моделях «Mercedes-Benz» С- и Е-класса практически не отличается от распространённых в 20-30-е годы роторно-шестеренчатых компрессоров типа «Рутс». Двигатель рабочим объемом 2,3 л комплектуется механическим компрессором фирмы «Eaton», усовершенствованной версией «Рутс» - винтообразных лопастей уже не две, а три или четыре. Привод осуществляется поликлиновыми ремнями от коленчатого вала двигателя. Особое покрытие лопастей, уменьшив трение, значительно улучшило КПД механизма. Подключается компрессор уже не водителем, а специальным электромагнитным сцеплением и только тогда, когда требуется резкое увеличение мощности. Степень сжатия уменьшена до 8,8. Четырехцилиндровый двигатель рабочим объемом 2,3 л развивает с компрессором 193 л.с. вместо 150 л.с. при 5400-5500 об/мин. Крутящий момент увеличивается с 220 до 270 Нм при 3750-3800 об/мин.
У нас в стране опыт применения механических нагнетателей на легковых автомобилях ограничился единичными экземплярами гоночных машин в 40-50-е годы.
Значительно более широкое распространение в мире получил наддув с турбонагнетателем, т.е. нагнетателем, приводимым турбиной, действующей на отработавших газах.
Ниже приведена классификация видов наддува ДВС.
Агрегатный наддув осуществляется с помощью нагнетателя. Он подразделяется на:
- механический наддув , где используется компрессор, приводимый в действие от коленчатого вала двигателя;
- турбонаддув , где компрессор (обычно центробежный) приводится турбиной, вращаемой выхлопными газами двигателя;
- наддув «Comprex» , заключающийся в использовании давления отработавших газов, действующих непосредственно на поток воздуха, подаваемого в двигатель;
- электрический наддув , где используется нагнетатель, вращаемый электродвигателем;
- комбинированный наддув объединяет несколько схем, как правило, речь идет о совмещении механического и турбонаддува.
Безагрегатный наддув . К нему относят:
- резонансный наддув (иногда называемый инерционным или акустическим), реализуемый за счёт колебательных явлений в трубопроводах;
- динамический наддув (скоростной или пассивный наддув) увеличивает давление во впускном коллекторе за счет воздухозаборников особой формы при движении с высокой скоростью;
- рефрижерационный наддув достигается испарением в поступающем воздухе топлива или какой-либо другой горючей жидкости с низкой температурой кипения и большой теплотой парообразования, на автомобильных двигателях не применяется.
Отметим, что существуют некоторые разногласия в понятиях, и резонансный наддув иногда называют динамическим . В данной статье мы под динамическим наддувом будем понимать только увеличение давления на впуске за счет воздухозаборников особой формы.
Механический наддув
Механический наддув позволяет легко поднять мощность двигателя. Основным элементом в такой системе является нагнетатель, приводимый непосредственно от коленчатого вала двигателя. Механический нагнетатель способен закачивать воздух в цилиндры при минимальных оборотах и без задержки, увеличивая давления наддува строго пропорционально оборотам двигателя, что является важным преимуществом подобной схемы. Однако механический наддув имеет и существенный недостаток – он отбирает на свою работу часть мощности двигателя.
На видео ниже экстремальный «Rocket 2» с механическим наддувом.
Все виды механических нагнетателей можно подразделить на объемные («Рутс», «Лисхольм» и др.) и центробежные.
Нагнетатель типа «Рутс»/«Итон»
Братья Рутс разработали свой нагнетатель еще в 1859 г. Он относится к объёмным роторным шестерённым машинам для подачи газовых сред. Первоначально он использовался как вентилятор для проветривания промышленных помещений. Конструкция его была очень проста: две вращающиеся в противоположных направлениях прямозубые «шестерни», помещенные в общий кожух, перекачивают объемы воздуха от впускного коллектора до выпускного в пространстве между своими зубьями и внутренней стенкой корпуса.
В 1949 году другой американский изобретатель – Итон (Eaton) – усовершенствовал конструкцию: прямозубые «шестерни» превратились в косозубые роторы, а воздух стал перемещаться не поперек их осей вращения, а вдоль. Принцип работы при этом не изменился - воздух внутри агрегата не сжимается, а просто перекачивается в другой объем, отсюда и название - объемный нагнетатель.
В настоящее время совершенствование нагнетателей данного типа идёт по пути увеличения количества зубьев-лопаток, если первоначально в нагнетателе Итона было по две лопатки на роторе, то сегодня их число достигло четырёх – «Eaton» TVS» . Увеличение числа лопаток позволяет сгладить основной недостаток нагнетателей типа «Рутс» – неравномерность подачи воздуха, создающую пульсацию давления. Кроме того, для тех же целей впускное и выпускное окно компрессора делают треугольным. Эти конструктивные ухищрения позволяют добиться того, что такие компрессоры работают достаточно тихо и равномерно. Компрессоры подобного типа имеют ещё один существенный недостаток. При выдавливании несжатого воздуха в сжатый в нагнетательном трубопроводе создается турбулентность, способствующая росту температуры воздушного заряда, поэтому наряду с обычным ростом температуры от непосредственно повышения давления происходит дополнительный нагрев. В этой связи современные нагнетатели данного типа в обязательном порядке оснащаются интеркулерами.
Сегодня современные технологические возможности вывели подобные компрессоры на очень высокий уровень производительности. Основные преимущества нагнетателей «Рутс» заключаются в простоте конструкции (малое количество деталей и малая скорость вращения роторов делают такие нагнетатели очень долговечными), компактности, эффективности на малых и средних оборотах двигателя, низком уровне шума по сравнению с центробежными компрессорами.
Подобные нагнетатели получили в настоящее время наибольшее распространение, как в виде отдельного приводного компрессора, так и главным образом в составе турбонаддува.
Основная деталь центробежного нагнетателя – рабочее колесо, или крыльчатка. Она имеет довольно сложную конусообразную форму. Лопатки крыльчатки играют самую главную роль. От того, насколько правильно они спроектированы и изготовлены, зависит результирующая эффективность всего нагнетателя. Итак, воздух, пройдя по сужающемуся воздушному каналу в нагнетатель, попадает на радиальные лопасти крыльчатки. Лопасти закручивают и отбрасывают его центробежной силой к периферии кожуха, где имеется диффузор. Зачастую диффузор имеет лопатки (порой с регулировкой угла атаки), призванные снизить потери давления. Далее воздух выталкивается в окружной воздушный туннель (воздухосборник), который чаще всего имеет улиткообразную форму (воздухосборник, описывая окружность, постепенно расширяется в диаметре). Такая конструкция создает необходимое давление воздушного потока на выходе из нагнетателя. Дело в том, что внутри кольца воздух поначалу движется быстро, и его давление мало. Однако в конце улитки русло расширяется, скорость воздушного потока понижается, а давление увеличивается.
В силу самого принципа работы у центробежного нагнетателя есть один существенный недостаток. Для эффективной работы крыльчатка должна вращаться не просто быстро, а очень быстро. Фактически производимое центробежным компрессором давление пропорционально квадрату скорости крыльчатки. Скорости могут быть 40 тыс. об/мин и более, а для высоконапорных компрессоров дизелей они приближаются к 200 тыс. об/мин. И в том случае если привод осуществляется от двигателя посредством ременной передачи на шкив турбины, шум от такого устройства довольно сильный. Проблема шумности и ресурса элементов привода частично снимается введением дополнительного мультипликатора, который снижает КПД механического нагнетателя.
Высокие рабочие обороты накладывают особые требования на качество используемых материалов и точность изготовления (учитывая огромные нагрузки от центробежных сил). К минусам самого принципа нагнетания можно также отнести некоторую задержку в срабатывании. Как правило, центробежный нагнетатель дает прибавку в мощности на довольно высоких оборотах двигателя. Сначала давление нарастает медленно, но затем, с увеличением оборотов, довольно резко возрастает. Эта особенность делает центробежные нагнетатели наиболее пригодными для тех случаев, когда более важно поддержание высоких скоростей, а не интенсивность разгона.
Центробежные нагнетатели очень популярны: сравнительно низкая цена и простота установки способствовали тому, что компрессоры этого типа почти вытеснили другие, более дорогие и сложные типы, особенно в сфере тюнинга. Недостатки данного типа нагнетателей известны: повышенные шум и износ, эффективная прибавка мощности только на высоких оборотах.
Нагнетатели типа «Лисхольм»
Следует также рассказать о винтовом нагнетателе или нагнетателе типа «Лисхольм» («Lysholm»). Компрессоры данного типа иногда используются для увеличения мощности двигателя. Первый в мире винтовой нагнетатель был изготовлен и запатентован шведским инженером Альфом Лисхольмом в 1936 г. Он также как и «Рутс» относится к роторным объёмным нагнетателям. Два ротора с взаимодополняющими профилями захватывая поступающий воздух, начинают взаимное встречное вращение. Порция воздуха проталкивается вперед вдоль роторов. Роторы имеют между собой чрезвычайно малые зазоры - это обеспечивает высокую эффективность и довольно малые потери. Основное отличие винтового компрессора от объемных роторно-шестеренчатых нагнетателей – наличие внутреннего сжатия, следовательно, не возникает дополнительной турбулентности как у рутс-компрессоров. Это обеспечивает им высокую эффективность нагнетания практически на всей шкале оборотов двигателя. Для достижения больших значений давления может потребоваться охлаждение корпуса компрессора.
Основные плюсы нагнетателей типа «Лисхольм»: высокая эффективность (КПД порядка 70%), надежность и компактная конструкция. Кроме того, винтовые компрессоры довольно тихие при правильном проектировании и изготовлении. Здесь и кроется единственный их минус. Дело в том, что роторы этих компрессоров имеют очень сложную форму и, как следствие, дороги. По этой причине нагнетатели «Лисхольм» практически не встречаются в массовом автомобильном производстве. По той же причине и компаний, производящих эти прогрессивные нагнетатели, не так много.
Прочие типы нагнетателей
В 80-х годах прошлого столетия компания «Volkswagen» экспериментировала с довольно необычными спиральными нагнетателями. В автомобильном применении они более известны как «G-Lader». Сейчас это направление компанией VW свернуто. Идея спирального одноосевого нагнетателя также очень стара. В 1905 году изобретатель Леон Креукс подал заявку на патент. Первоначально предусмотренный в качестве паровой машины, такой нагнетатель имел два спиральных витка, расположенных один в другом. В течение десятилетий он совершенствовался и, в конце концов, превратился из первоначальной четырехструйной машины в восьмиструйную, которая была оснащена двумя камерами - внутренней и внешней - по обеим сторонам с углом разворота 180 градусов относительно друг друга. Но тогда о массовом производстве таких нагнетателей можно было только мечтать, потому что в то время еще отсутствовали соответствующее технологии и оборудование. Сложность производства заключалась также в том, что изготовление деталей должно было быть максимально точным, так как любое отклонение в структуре или качестве поверхности могло привести к значительному снижению КПД. Поэтому в качестве нагнетательного аппарата для автомобильного двигателя спиральный нагнетатель стал использоваться очень поздно. С середины восьмидесятых до 1992 года его серийно использовал лишь «Volkswagen» в моделях «Polo», «Corrado», «Golf» и «Passat». Однако ряд фирм (преимущественно немецких) продолжают производить такие компрессоры и сегодня.
Также спиральный нагнетатель имеет важные преимущества: высокий КПД (75,9% у прототипов) и низкий уровень шума, хорошее уплотнение (благодаря чему наличие давления наддува проявлялось уже на малых оборотах) и малые потери на трение.
Поршневые нагнетатели, самая распространенная схема обычных воздушных компрессоров в настоящее время, в автомобилях не прижились совсем. А вот на судовых моторах они использовались достаточно широко. Интересен метод нагнетания подпоршневым насосом. Здесь в качестве нагнетателя используется сам поршень, который при движении к НМТ (нижняя мертвая точка) выталкивает находящийся под ним воздух.
Следует упомянуть незаслуженно забытые в автомобилестроение шиберные, или лопастные, нагнетатели. Это довольно простые по конструкции и принципу действия машины. Цилиндрический корпус имеет два отверстия, как правило, растянутые во всю длину цилиндра и находящимися на одной его стороне, т. е. не строго друг против друга. Внутри корпуса находится ротор диаметром примерно в три четверти от внутреннего диаметра корпуса. Ротор смещен к одной из сторон корпуса, примерно посредине отверстий. В роторе несколько продольных канавок, в которых находятся шиберы (лопатки). При вращении ротора благодаря заложенному конструкцией эксцентриситету и шиберам, выдвигающимся за счет центробежных сил, воздух сперва всасывается в одну из долей, образованных парой соседних лопаток, а затем сжимается до момента подхода к выпускному отверстию.
Будучи качественно изготовленными, такие компрессоры нагнетали довольно большое давление. В сравнении с рутс-компрессорами они обладали более высоким КПД, меньше пропускали воздуха, практически не нагревали его и были менее шумными. Да и мощности двигателя они отнимали меньше. Хорошо сконструированный шиберный нагнетатель может быть на 50% более производительным, нежели рутс-компрессор. В силу своей конструкции самой большой проблемой шиберных машин были высокие фрикционные нагрузки между шиберами и корпусом. По мере износа КПД компрессора заметно падал из-за увеличения протечек воздуха. В связи с этой проблемой шиберные компрессоры делали низкооборотными, но довольно габаритными. Это стало практически непреодолимой проблемой, и шиберные компрессоры были забыты. В настоящее время появляются новые материалы и технологии, которые делают вновь востребованными старые технические решения и конструкции.
Турбонаддув
 |
Турбокомпрессор или турбонагнетатель состоит из газовой и компрессорной турбин посаженных на один вал. Фактически компрессорная часть – это центробежный нагнетатель. Скорость вращения газовой турбины, благодаря энергии отработавших газов, очень высока (50-100 тысяч об/мин). Компрессор засасывает и сжимает воздух, подающийся затем во впускной трубопровод для приготовления горючей смеси. Степень сжатия приходится уменьшать и в этом случае, однако тепловой КПД такого мотора снижается незначительно и, более того, удельный расход топлива иногда даже падает. При высоком давлении наддува целесообразно охлаждать воздух после компрессора до поступления в цилиндры. В бензиновых двигателях температура воздуха в цилиндрах ограничена детонацией. Чем выше жаропрочность лопаток турбины (предел около 1000 °С) и чем большую температуру раскаленных выхлопных газов выдерживает этот материал, тем эффективнее работа турбонагнетателя. Нагрев выхлопных газов в дизелях доходит до 600 °С, а в бензиновых двигателях до 1000 °С, поэтому с точки зрения долговечности дизельная турбина дает лучшие результаты. Также увеличенный приток воздуха позволяет дизелю хорошо справляться с обедненными смесями, воспламенение которых при высоких температурах сжатия не вызывает никаких затруднений. Кроме того, дизели с турбонаддувом становятся менее «жесткими» в работе. Однако при быстром и резком увеличении мощности возникают проблемы. Из-за инерции турбокомпрессора подача воздуха отстает от подачи топлива, поэтому сначала дизель работает на обогащенной смеси с повышенной дымностью. Длительность этого периода зависит от момента инерции ротора турбокомпрессора, которую сводят к минимуму увеличением оборотности при уменьшении диаметра колес турбины.
Свои особенности у турбонаддува бензиновых двигателей. Здесь, как правило, достигается переходом на уменьшенный рабочий объем двигателя (при той же или большей мощности, обеспечиваемой турбонаддувом). Воспламенение бедных смесей бензина с воздухом происходит с трудом, поэтому необходимо регулировать количество подаваемого воздуха (а не топлива, как на дизеле), что особенно важно при высоких частотах вращения, когда компрессор работает с максимальной производительностью. Существует множество способов ограничения подачи воздуха при пиковых режимах. Рассмотрим систему регулирования «АРС» фирмы «SAAB», в которой для регулирования давления наддува применена электроника. За давлением наддува следит специальный клапан, контролирующий поток отработавших газов, идущих через перепускной канал мимо турбины. Клапан открывается при разрежении во впускном трубопроводе, величина которого регулируется дросселированием потока воздуха между впускным трубопроводом и входом в компрессор. Степень разрежения в перепускном клапане зависит от положения дроссельной заслонки с электроприводом, управляемым электронным устройством, получающим сигналы датчиков давления наддува, детонации и частоты вращения. Датчик детонации представляет собой чувствительный пьезоэлектрический элемент, установленный в блоке цилиндров и улавливающий детонационные стуки. По сигналу этого датчика ограничивается разрежение в управляющей камере перепускного клапана.
Система «АРС» заметно улучшает динамику автомобиля. Например, для быстрого обгона (или разгона) в условиях интенсивного движения двигатель переводится в режим работы с максимальным давлением наддува. При этом детонация в относительно холодном, работавшем на частичной нагрузке двигателе не может, естественно, возникнуть мгновенно. По истечении нескольких секунд, когда температуры возрастут и начнут проявляться первые тревожные симптомы, по сигналу датчика детонации управляющее устройство плавно снизит давление наддува. Применение системы «АРС» при сохранении значений крутящего момента двигателя по внешней характеристике поднимает степень сжатия с 7,2 до 8,5, уменьшая давление наддува с 50 до 40 кПа при 6-8% экономии топлива.
В последнее время совершенствование концепций наддува идет по пути создания регулирующих систем для повышения крутящего момента при низких оборотах двигателя, а также снижения инерционности. Существует несколько способов решения данной проблемы:
- применение турбины с изменяемой геометрией;
- использование двух параллельных турбонагнетателей;
- использование двух последовательных турбонагнетателей;
- комбинированный наддув.
Турбина с изменяемой геометрией обеспечивает оптимизацию потока отработавших газов за счет изменения площади входного канала. Турбины с изменяемой геометрией нашли широкое применение в турбонаддуве дизельных двигателей, к примеру турбонаддув двигателя «TDI» от «Volkswagen».
Система с двумя параллельными турбонагнетателями (система «biturbo») применяется в основном на мощных V-образных двигателях (по одному на каждый ряд цилиндров). Принцип работы системы основан на том, что две маленькие турбины обладают меньшей инерцией, чем одна большая.
При установке на двигатель двух последовательных турбин (система «twin-turbo») максимальная производительность системы достигается за счет использования разных турбонагнетателей на разных оборотах двигателя.
Комбинированный наддув объединяет механический и турбонаддув. На низких оборотах коленчатого вала двигателя сжатие воздуха обеспечивает механический компрессор. С ростом оборотов подхватывает турбонагнетатель, а механический компрессор отключается. Примером такой системы является двойной наддув двигателя «TSI» от «Volkswagen».
После отказа от карбюраторов и переходе на электронный впрыск топлива особенно эффективным стал турбонаддув на бензиновых двигателях. Здесь уже достигнута впечатляющая топливная экономичность.
В целом же, следует признать, что турбонаддув, увеличивая тепловые и механические нагрузки, заставляет вводить в конструкцию ряд упрочненных узлов, усложняющих двигатель как в производстве, так и при техническом обслуживании.
Наддув «Comprex»
Также не хотелось оставить без внимания такой интересный способ наддува как «Компрекс» («Comprex»), разработанный фирмой «Браун энд Бовери» (Швейцария) заключающийся в использовании давления отработавших газов, действующих непосредственно на поток воздуха, подаваемого в двигатель. Получаемые при этом показатели двигателя такие же, как и в случае использования турбокомпрессора, но турбина и центробежный нагнетатель, для изготовления и балансировки которых требуются специальные материалы и высокоточное оборудование, отсутствуют.
Главная деталь в системе «Компрекс» - это лопастный ротор, вращающийся в корпусе с частотой вращения, втрое большей частоты вращения коленчатого вала двигателя. Ротор установлен в корпусе на подшипниках качения и приводится в движение клиновым или зубчатым ремнем от коленчатого вала. Привод компрессора типа «Компрекс» потребляет не более 2% мощности двигателя. Агрегат «Компрекс» не является компрессором в полном смысле слова, поскольку его ротор имеет только каналы, параллельные оси вращения. Эта система наддува является единственным выпущенным большой партией нагнетателем с волновым обменником давления. Он, как и механический нагнетатель, приводится в действие от распределительного вала, но использует полученную энергию лишь для синхронизации частоты вращения ротора с частотой вращения распределительного вала двигателя, а сжимает воздух энергия отработавших газов. Ротор имеет каналы параллельные оси его вращения, где поступающий в двигатель воздух сжимается давлением отработавших газов. Торцовые зазоры ротора гарантируют распределение отработавших газов и воздуха по каналам ротора. На внешнем контуре ротора расположены радиальные пластины, имеющие небольшие зазоры с внутренней поверхностью корпуса, благодаря чему образуются каналы, закрытые с обеих сторон торцовыми крышками.
В правой крышке имеются окна: а - для подачи отработавших газов от двигателя в корпус агрегата и г - для отвода отработавших газов из корпуса в выпускной трубопровод и далее - в атмосферу. В левой крышке имеются окна: б - для подачи сжатого воздуха в двигатель и д - для подвода свежего воздуха в корпус из впускного трубопровода е . Перемещение каналов при вращении ротора вызывает их поочередное соединение с выпускным и впускным трубопроводами двигателя.
При открывании окна а возникает ударная волна давления, которая со скоростью звука движется к другому концу выпускного трубопровода и одновременно направляет в канал ротора отработавшие газы, не смешивая их с воздухом. Когда эта волна давления достигнет другого конца выпускного трубопровода, откроется окно б и сжатый отработавшими газами воздух в канале ротора будет вытолкнут из него в трубопровод в к двигателю. Однако еще до того, как отработавшие газы в этом канале ротора приблизятся к его левому концу, закроется сначала окно а , а затем окно б , и этот канал ротора с находящимися в нем под давлением отработавшими газами с обеих сторон будет закрыт торцовыми стенками корпуса.
При дальнейшем вращении ротора этот канал с отработавшими газами подойдет к окну г в выпускной трубопровод и отработавшие газы выйдут в него из канала. При движении канала мимо окон г выходящие отработавшие газы эжектируют через окна д свежий воздух, который, заполняя весь канал, обдувает и охлаждает ротор. Пройдя окна г и д , канал ротора, заполненный свежим воздухом, вновь закрывается с обеих сторон торцовыми стенками корпуса и, таким образом, готов к следующему циклу .
Описанный цикл весьма упрощен в сравнении с происходящим в действительности и осуществляется лишь в узком диапазоне частоты вращения двигателя. Здесь кроется причина того, что известный уже в течение долгого времени этот способ наддува практически не применяется в автомобилях. «Comprex» был серийно использован в дизельных моделях двух знаменитых марок: «Opel» в 2,3-литровом «Senator» и «Mazda» 626» в 2,0-литровом четырехцилиндровом моторе. Но «Opel» ставил компрекс-нагнетатели на свои модели всего год (до 1986 года), в отличие от компании «Mazda», которая поставляла свои двигатели с компрекс-наддувом до 1996 года, пока в июне 1997 года он окончательно не был снят с программы производства.
Свое преимущество компрекс-нагнетатель проявляет уже на низких оборотах двигателя, так как при этом ему вполне достаточно и малого объема отработавших газов для того, чтобы получить высокую степень сжатия. В этом и заключается важное отличие от турбонагнетателя, количество отработавших газов в котором находится в прямой зависимости от привода компрессора. Также применение агрегата наддува «Компрекс» вместо турбокомпрессора снижает шум двигателя, так как он работает при более низкой частоте вращения.
Система электрического наддува разрабатывалась фирмой «Controlled Power Technologies» (в настоящий момент вошла в состав подразделения силовых агрегатов компании «Valeo») в течение трех лет.
В отличие от турбонаддува, где центробежный нагнетатель приводят в действие выхлопные газы, или механического наддува, где нагнетатель связан с коленчатым валом двигателя, в системах с электрическим наддувом нагнетатель вращается электромотором. Обычно подобные системы являются комбинированными, так как использование электрического и турбонаддува совместно даёт существенный выигрыш, позволяя избежать турбоямы на низких оборотах двигателя.
Компания «Audi» недавно представила систему электрического наддува, работающую по схеме, отличной от схемы «Controlled Power Technologies». Система «Audi» (на рис. ниже) использует двойной наддув: обычная турбина работает на средних и высоких оборотах, а электрическая - на малых, исключая турбояму.
В «Audi» собираются снабдить электрическим наддувом собственные дизельные моторы. На заводе компании уже собран пробный образец трехлитрового V6 TDI с подобным двойным наддувом. В системе задействован компактный электродвигатель, способный быстро раскрутить турбину до высоких скоростей. Возникновение дополнительного потребителя никак не должно отразиться на общем уровне энергопотребления, так как потери на раскрутку турбины перекроются при помощи системы рекуперации.
Внимание к электрическому наддуву в последнее время проявляют также компании «Ricardo», «Ford» и «BMW». Последняя недавно получила патент на электротурбину собственной конструкции, а компания «Ford» работает совместно с «Controlled Powertrain Technologies» и «Valeo» над трёхцилиндровым двигателем «Hyboost» с электронаддувом. «Valeo» станет первым поставщиком комплектующих, который предложит на рынок целый спектр электрических нагнетателей.
На рынке тюнинга существуют и так называемые осевые электрические нагнетатели, которые, как правило, входят в систему динамического наддува (читайте ниже). Движение воздуха в них осуществляется в осевом направлении. Один или пара последовательных либо параллельных вентиляторов с электромоторчиком, будучи установленными в воздушном тракте, проталкивают воздух вдоль себя назад, в фильтр или уже после него во впускной коллектор. Если такая система преодолевает хотя бы сопротивление фильтрующих элементов, эффект уже неплохой.
Резонансный наддув (инерционный наддув)
Другое интересное решение, которое фактически не является искусственным методом нагнетания воздуха, - система резонансного наддува. Идея основана на том факте, что приходы волн сжатия к впускному клапану и волн разрежения к выпускному клапану способствуют продувке и очистке камеры сгорания от отработавших газов.
 |
| Система резонансного наддува |
|---|
В первом случае нужно просто поймать волну сжатия, а именно так ведет себя воздух во впускном коллекторе при работе двигателя: чередование приливов и отливов. С изменением оборотов амплитуда этих колебаний меняется. И для того, чтобы поймать волну сжатия, необходимо менять длину впускного коллектора. Поначалу конструкторы пошли по довольно примитивному по смыслу, но довольно сложному по воплощению пути: несколько воздуховодов разной длины и клапана, открывающие тот или иной канал. В настоящее время эта идея нашла свое логическое воплощение в устройствах впускного коллектора переменной длины. Например, компания «BMW» применяет устройство, которое обеспечивает изменение длины впускного тракта. Разумеется, это не полноценная замена наддуву, но определенная выгода от этого есть. Давление наддува, создаваемое за счет колебаний напора воздушного потока, находится в диапазоне от 5 до 20 миллибар. Для сравнения: с помощью турбонаддува или механического наддува можно получить значения в диапазоне между 750 и 1200 миллибар. Плюсом системы резонансного наддува является то, что энергия мотора на ее привод практически не затрачивается.
Во втором случае энергию отработавших газов частично применяют для улучшения наддува двигателя, используя возникающие колебания их давления уже в выпускном трубопроводе. Использование колебаний давления состоит в том, что после открывания клапана в трубопроводе возникает ударная волна давления, со скоростью звука проходящая до открытого конца трубопровода, отражающаяся от него и возвращающаяся к клапану в виде волны разрежения. За время открытого состояния клапана волна может несколько раз пройти по трубопроводу. При этом важно, чтобы к фазе закрывания выпускного клапана к нему пришла волна разрежения, способствующая очистке цилиндра от отработавших газов и продувке его свежим воздухом. Каждое разветвление трубопровода создает препятствия на пути волн давления, поэтому наиболее выгодные условия использования колебаний давления создаются в случае индивидуальных трубопроводов от каждого цилиндра, имеющих равные длины на участке от головки цилиндра до объединения в общий трубопровод.
Скорость звука не зависит от частоты вращения двигателя, поэтому во всем ее диапазоне чередуются благоприятные и неблагоприятные с точки зрения наполнения и очистки цилиндров условия режима работы. На кривых мощности двигателя N e и его среднего эффективного давления p e это проявляется в виде «горбов», что хорошо видно на рис. справа, где изображена внешняя скоростная характеристика двигателя гоночного автомобиля фирмы «Порше». Колебания давления используют также и во впускном трубопроводе: приход волны давления к впускному клапану, особенно в фазе его закрывания, способствует продувке и очистке камеры сгорания.
Если с общим выпускным трубопроводом соединяется несколько цилиндров двигателя, то число их должно быть не более трех, а чередование работы - равномерным с тем, чтобы выпуск отработавших газов из одного цилиндра не перекрывал и не влиял на процесс выпуска из другого. У рядного четырехцилиндрового двигателя два крайних цилиндра обычно объединяются в одну общую ветвь, а два средних цилиндра - в другую. У рядного шестицилиндрового двигателя эти ветви образованы соответственно тремя передними и тремя задними цилиндрами. Каждая из ветвей имеет самостоятельный вход в глушитель, или на некотором расстоянии от него ветви объединяются, и организуется их общий ввод в глушитель.
Динамический наддув (скоростной или пассивный наддув)
Система динамического наддува (также называемого скоростным или пассивным наддувом) увеличивает давление на впуске двигателя. Рост давления во впускном коллекторе достигается за счет воздухозаборников особой формы, которые при увеличении скорости движения начинают буквально загонять воздух в двигатель.
Заметный эффект от пассивного наддува начинает проявляться при больших скоростях движения (более 150 км/ч), поэтому на обычных автомобильных двигателях система динамического наддува встречается крайне редко, но иногда применяется на спортивных мотоциклах и автомобилях, а также широко используется для наддува поршневых авиационных двигателей. Нередко пассивный наддув объединяют с другими видами наддува, делая воздухозаборник соответствующей формы.
На «тюнингованных» автомобилях часто выводят впускной тракт на капот или в решетку радиатора, т. е. в зону максимального давления, чем имитируют систему динамического наддува (ниже на рисунке приведена подобная система). Почему имитируют? Потому что пассивный наддув, как уже было написано выше, начинает работать только на высоких скоростях. Также при подобном «тюнинге» ставят «фильтр нулевого сопротивления», который плохо справляется с очисткой поступающего воздуха, что приводит к усиленному износу двигателя.
Преимуществом динамического наддува является то, что это самый дешевый способ относительно остальных.
Задача повышения мощности и крутящего момента двигателя была актуальна всегда. Самое простое решение — увеличить рабочий объем: чем больше сгорает топлива, тем выше мощность. Однако при этом существенно увеличиваются габариты и масса конструкции.
Альтернативный подход — оставить рабочий объем двигателя прежним, но подавать в единицу времени больше топлива. Увеличить подачу бензина несложно, особенно, в системах впрыска. Но при этом для сохранения состава топливной смеси необходимо пропорционально увеличить и количество подаваемого в двигатель воздуха. Возможности двигателя самостоятельно всасывать воздух ограничены, поэтому не обойтись без специального устройства, повышающего давление и, следовательно, количество воздуха на впуске. Эти устройства обычно называют нагнетателями или компрессорами.
Механический нагнетатель
Механические нагнетатели применялись в автомобильных двигателях еще в 30-е годы, тогда их чаще всего называли компрессорами. Сейчас этот термин обычно относят к турбокомпрессорам, о которых речь пойдет ниже. Конструкций механических нагнетателей довольно много, и интерес к ним разработчики проявляют до сих пор. На рисунках 1-4 представлены схемы некоторых устройств, принцип работы которых не требует дополнительных пояснений.
Есть конструкции и не совсем обычные. Одна их них — волновой нагнетатель Comprex (рис . 5) — принадлежит фирме Asea-Brown-Boweri. Ротор этого компрессора имеет аксиально расположенные камеры, или ячейки. При вращении ротора в ячейку поступает свежий воздух, после чего она подходит к отверстию в корпусе, через которое в нее попадают горячие отработавшие газы двигателя. При их взаимодействии с холодным воздухом образуется волна давления, фронт которой, движущийся со скоростью звука, вытесняет воздух в отверстие впускного трубопровода, к которому ячейка за это время успевает подойти. Поскольку ротор продолжает вращаться, отработавшие газы в это отверстие попасть не успевают, а выходят в следующее по ходу ротора. При этом в ячейке образуется волна разряжения, которая всасывает следующую порцию свежего воздуха и т. д.
Нагнетатель Comprex уже опробован несколькими автомобильными производителями, а Mazda использует его на одном из своих серийных двигателей с 1987 года.
Еще одна не совсем обычная конструкция — это спиральный, или G-образный (по форме буквы G, напоминающей спираль) нагнетатель. Идея запатентована еще в начале столетия, но из-за технических и производственных проблем на выпуск такого нагнетателя долго никто не решался. Первой, в 1985 году была фирма Volkswagen, которая применила его на двигателе купе Polo (1 ,3 л, 113 л. с.). В 1988 году появился более мощный нагнетатель G60, которым в течение нескольких лет комплектовались двигатели Corrado и Passat (1 ,8 л, 160 л. с.,), а Polo G40 выпускался вплоть до 1994 года.
Схематично (рис . 6) конструкцию G-образного нагнетателя можно представить в виде двух спиралей, одна из которых неподвижна и является частью корпуса. Вторая — вытеснитель — расположена между витками первой и закреплена на валу с эксцентриситетом в несколько миллиметров. Вал приводится от двигателя ременной передачей с отношением около 1:2.
При вращении вала внутренняя спираль совершает колебательные движения и между неподвижной (корпус ) и обегающей (вытеснитель ) спиралями образуются серпообразные полости, которые движутся к центру, перемещая воздух от периферии и подавая его в двигатель под небольшим давлением. Количество перемещаемого воздуха зависит от частоты вращения коленчатого вала двигателя.
Система имеет сравнительно высокий (около 65%) КПД. Трущихся частей почти нет, поэтому износ деталей незначителен. Установленный на двигателе Polo нагнетатель G40 (40 и 60 в маркировке нагнетателей Volkswagen — это ширина спиральных камер в миллиметрах) имеет внутреннюю степень сжатия 1,0; максимальное давление наддува составляет 0,72 бар. При номинальной частоте вращения ротора 10200 об./мин. за один оборот подается 566 см куб. воздуха, т. е. почти 6000 л/мин.
Схема управления механическим нагнетателем довольно проста (рис . 7). При полной нагрузке заслонка перепускного трубопровода закрыта, а дроссельная открыта — весь поток воздуха поступает в двигатель. При работе с частичной нагрузкой дроссельная заслонка закрывается, а заслонка трубопровода открывается — избыток воздуха возвращается на вход нагнетателя.
Входящий в схему охладитель наддувочного воздуха (Intercooler ) является почти непременной составной частью всех, не только механических, систем наддува. При сжимании воздух, как известно, нагревается, а его плотность и, соответственно, количество кислорода в единице объема уменьшаются. Больше кислорода — лучше сгорание и выше мощность. Поэтому перед подачей в двигатель сжатый нагнетателем воздух проходит через охладитель, где его температура снижается.
Преимущества спирального нагнетателя, как и большинства компрессоров с механическим приводом: достаточно большой крутящий момент и повышенная мощность двигателя при низких оборотах, быстрая, практически мгновенная реакция на нажатие педали газа. Недостатки: относительная сложность и нетехнологичность конструкции, большие потери в приводе.
Турбокомпрессор
Более широко на современных автомобильных двигателях применяются турбокомпрессоры. Они более технологичны в изготовлении, что окупает ряд присущих им недостатков.
Турбокомпрессор отличается от вышеописанных конструкций прежде всего схемой привода (рис . 8). Здесь используется ротор с лопатками — турбина, которая вращается потоком отработавших газов двигателя. Турбина, в свою очередь, вращает размещенный на том же валу компрессор, выполненный в виде колеса с лопатками.
Выбранная схема привода (газовая вместо механической) определяет основные недостатки турбокомпрессора. При низкой частоте вращения двигателя количество отработавших газов невелико, соответственно, эффективность работы компрессора невысока. Кроме того, турбонаддувный двигатель, как правило, имеет т. н. «турбояму » — замедленный отклик на увеличение подачи топлива. Вам нужно резко ускориться — вдавливаете педаль газа в пол, а двигатель некоторое время думает и лишь потом подхватывает. Объяснение простое — требуется время на раскрутку турбины, которая вращает компрессор. На рис. 9 показана реакция нагнетателей различных типов на увеличение числа оборотов двигателя. Приведенные кривые относятся к дизелю, но их характер сохраняется и для бензинового двигателя. Хорошо видно, что самую медленную реакцию имеет турбокомпрессор, волновой нагнетатель реагирует быстрее, механический нагнетатель срабатывает практически мгновенно.
Избавиться от указанных недостатков конструкторы пытаются разными способами. В первую очередь, снижением массы вращающихся деталей турбины и компрессора. Ротор современного турбокомпрессора настолько мал, что легко умещается на ладони. Легкий ротор повышает эффективность компрессора при низких оборотах двигателя: например, у 2,0 л турбодвигателя SAAB 9000 уже при 1500 об./мин. увеличение крутящего момента за счет наддува составляет 20%. Легкий ротор, кроме того, обладает меньшей инерционностью, что позволяет турбокомпрессору быстрее раскручиваться при нажатии педали газа и уменьшает «турбояму ».
Снижение массы достигается не только конструкцией ротора, но и выбором для него соответствующих материалов. Поиск новых материалов для турбин ведется многими фирмами. Основная сложность — высокая температура отработавших газов. Преуспели больше всего в этой области, пожалуй, японцы — они уже давно занимаются керамикой для двигателей внутреннего сгорания. Монолитная турбина, изготовленная из спеченного карбида кремния, при той же механической прочности весит в 3 раза меньше обычной и, соответственно, обладает гораздо меньшей инерцией. Кроме того, в случае разрыва ротора разлетающиеся осколки будут много легче — это дает возможность сделать корпус компрессора более тонким и компактным. А недавно конструкторам Nissan впервые в мировой практике удалось создать крыльчатку нагнетателя из пластмассы. Из какой — неизвестно, но говорят, получилась очень легкая.
Избавиться от недостатков турбокомпрессора позволяет не только уменьшение инерционности ротора, но и применение дополнительных, иногда довольно сложных схем управления давлением наддува. Основные задачи при этом — уменьшение давления при высоких оборотах двигателя и повышение его при низких. Одна задача решается довольно легко: избыточное давление наддува на высоких частотах вращения уменьшается, как правило, с помощью перепускного клапана.
Другая задача сложнее. Полностью решить все проблемы можно было бы использованием турбины с изменяемой геометрией, например, с подвижными (поворотными ) лопатками, параметры которой можно менять в широких пределах. Такие турбины широко применяются в авиации и других областях техники. Но в крошечном роторе автомобильного компрессора механизм поворота лопаток разместить трудно.
Один из упрощенных способов — применение регулятора скорости потока отработавших газов на входе в турбину. В турбокомпрессоре Garrett VAT 25, который более подробно будет рассмотрен ниже, для этого используется подвижная заслонка.
Схема управления давлением наддува 2,0 и 2,3 литровых двигателей SAAB 9000 показана на рис. 10. Называется она APC — Automatic Performance Control. Система APC во всех режимах работы двигателя поддерживает давление наддува на максимально допустимом уровне, не доводя двигатель до детонации. Для этого использован датчик (knock sensor), по сигналу которого при возникновении детонации блок управления открывает установленный в турбине перепускной клапан, и часть отработавших газов направляется в обход турбинного колеса, что снижает давление наддува и устраняет детонацию. Помимо этого датчика в систему APC входят также и другие, измеряющие частоту вращения двигателя, нагрузку, температуру и октановое число используемого топлива — этими параметрами определяется порог детонации.
Использование APC позволило не только повысить степень сжатия 2,0 л двигателя до 9, но и сделало возможным использование топлива с низким октановым числом — до 91.
Топливная экономичность
Повышение мощности двигателя, достигается ли оно увеличением его рабочего объема или применением наддува, неизбежно влечет за собой увеличение расхода топлива. Теоретически КПД двигателей с наддувом несколько выше, чем атмосферных, поэтому удельный (на единицу мощности) расход топлива у них должен быть ниже. На практике же за счет потерь при переходных процессах он получается примерно таким же.Конечно, и с турбодвигателем можно ехать относительно экономично, но тогда зачем он нужен? Поэтому сегодня конструкторы пытаются решить непростую задачу: уменьшить расход топлива при сохранении высокой мощности. Попробуем рассмотреть разные подходы к этой проблеме, предложенные, например, инженерами Audi и Peugeot.
Одним из путей повышения экономичности двигателя, как известно, является увеличение степени сжатия. Но в двигателях с наддувом есть ограничение: наддув увеличивает компрессию, что приводит к возникновению детонации, особенно на высоких оборотах. Поэтому степень сжатия приходится искусственно снижать: в современном атмосферном двигателе она составляет около 10, а в двигателе с наддувом обычно не превышает 8.
Конструкторам Audi удалось в определенной степени это ограничение преодолеть: в 5-цилиндровом 20-клапанном двигателе Audi S2 и Audi S4 объемом 2,2 л и мощностью 230 л. с. степень сжатия доведена до 9,3 — это для турбомотора необычно много. Результат: средний расход топлива при 90 км/ч — 7,5 л, в городе — 14 л/100 км. Двигатель пришел со спортивной Audi 200. Созданный на этой же основе мотор Avant RS2 также имеет довольно высокую степень сжатия — 9, но при таком же объеме развивает мощность 315 л. с. (за счет изменения параметров наддува). В то же время расход топлива в городе составляет лишь 14,5 л/100 км.
Упоминавшийся выше турбированный 4-цилиндровый двигатель нового SAAB 9000 объемом 2,0 л тоже имеет степень сжатия 9. Мощность поменьше: 165 л. с., но и расход топлива на трассе менее 7, а в городе — около 12 л/100 км.
Сравните эти параметры, например, с данными для Porsche 968 Turbo S. Спортивная машина, на экономию топлива особого внимания не обращали. Рабочий объем 3 л, 4 цилиндра 2 клапана/цилиндр, степень сжатия 8, мощность 305 л. с., расход топлива в городе — не менее 18 л/100 км.
Поскольку конструкторы Audi для увеличения экономичности пошли по пути повышения степени сжатия, они смогли ограничиться турбокомпрессором вполне традиционной конструкции: К24 фирмы ККК (Kuhle , Kopp und Kausch). Схема управления наддувом тоже традиционная — избыточное давление при высоких оборотах ограничивается перепускным клапаном. Габариты К24 невелики, а параметры выбраны исходя из получения высокого крутящего момента на низких оборотах. Уже при 1950 об./мин. двигатель достигает своего максимального крутящего момента (350 Нм), который сохраняется до 3000 об./мин. Кривая момента достаточно плоская: 90% его величины расположены в диапазоне частот вращения 2300-5200 об./мин. Несмотря на простоту схемы управления, «турбояма » у указанного двигателя не ощущается.
Конструкторы Peugeot выбрали другой подход. Новый 4-цилиндровый 16-клапанный двигатель Peugeot 405 Т16 имеет традиционную для турбодвигателей низкую степень сжатия 8. Но на нем использован довольно хитрый компрессор VAT 25 фирмы Garrett (не путать с VAT 69 — это совсем из другой области!). Применительно к компрессору сокращение VAT — это турбина с изменяемой площадью, или сечением (Variable Area Turbine). На входе отработавших газов в корпус турбины имеется подвижная заслонка с пневматическим приводом (рис . 11). На малых оборотах двигателя заслонка находится в прикрытом положении, уменьшая сечение канала, по которому проходит поток отработавших газов, поэтому даже при малом их объеме скорость потока получается достаточно высокой и обеспечивает необходимую частоту вращения турбины. При увеличении частоты вращения двигателя заслонка открывается, увеличивая проходное сечение — количество отработавших газов возрастает и, соответственно, повышается давление наддува. Поскольку VAT — решение упрощенное, и не в полной мере обеспечивает регулировку, перепускной клапан в схеме управления давлением наддува пришлось сохранить.
Получилось, в целом, неплохо. Своего максимального крутящего момента 288 Нм двигатель Peugeot достигает при 2600 об./мин., и это значение сохраняется до 4500 об./мин. При этом 90% величины момента расположены в диапазоне 2300-5200 об./мин. При объеме 2,0 литра двигатель развивает мощность 200 л. с. (5000 об./мин.), а расход топлива в городе составляет менее 12 л/100 км.
Overboost
Как правило, турбонаддувные двигатели имеют устройство Overboost, срабатывающее при резком нажатии на педаль газа и дополнительно повышающее давление наддува и максимальный крутящий момент двигателя (примерно на 10%). Это необходимо при резких ускорениях, например, при обгоне.
На Audi с компрессором К24 включение этого режима достигается, в общем, традиционно: при резком и полном открытии дроссельной заслонки срабатывает электронный блок управления, который быстро закрывает регулировочный клапан давления наддува. Весь поток отработавших газов направляется через турбину, давление наддува дополнительно увеличивается — Overboost. В этом режиме уже при 2100 об./мин. крутящий момент двигателя достигает 380 Нм.
Конструкторы Peugeot поступили по-другому. У компрессора Garrett VAT 25 (рис . 11) эффект Overboost достигается за счет того, что заслонка в корпусе турбины быстро откидывается в направлении турбинного колеса, резко увеличивая проходное сечение и, соответственно, поступающее количество отработавших газов. Крутящий момент двигателя 405 Т16 в этом режиме повышается до 318 Нм при 2400 об./мин.
Повышенный крутящий момент сохраняется в течение ограниченного времени: у Audi — 16 секунд, у Peugeot — 45 секунд, что почти идеально для выполнения обгонов. Чтобы не уродовать двигатель, режим Overboost не действует, если частота вращение двигателя превышает 6000 об./мин. (Audi ) или если включена 1-я передача (Peugeot ).
Во что обходится наддув
Бесплатным, как известно, бывает только ветер в камышах. За повышение мощности двигателей с наддувом приходится платить. И не только увеличением расхода топлива. Повышаются требования к его качеству — для большинства турбированных двигателей требуются бензины с октановым числом 96-98. Несмотря на то, что поршни, кольца, головки и шатуны усилены, ресурс двигателя ощутимо снижается, тем в большей степени, чем выше давление наддува. Можно считать, что в среднем ресурс двигателя с турбокомпрессором не превышает 100 тыс. км, а ресурс самого компрессора составляет около 10 тыс. часов. У механических нагнетателей он выше — около 25 тыс. часов. Для системы смазки турбокомпрессора требуются специальные масла, выдерживающие высокие температуры и частоты вращения более 100 000 об./мин. Температура в турбинной части компрессора доходить до 1000°С, поэтому его подшипники требуют дополнительного водяного охлаждения. Все изложенное для потребителя выливается в довольно значительное увеличение стоимости автомобиля и его обслуживания.
Для бензиновых двигателей массовых моделей наддув вряд ли можно считать удачным способом повышения мощности. Volkswagen, например, в этом году отказался от упоминавшегося выше наддувного двигателя на Polo. Более перспективными, особенно с точки зрения топливной экономичности, видимо, можно считать такие направления, как многоклапанная техника, совершенствование систем впрыска, переобеднение смеси и ее послойное распределение в цилиндрах.
Бензиновые двигатели с турбонаддувом — это, пожалуй, удел дорогих, со спортивным характером автомобилей. Maserati, например, может позволить себе выпускать все двигатели с системой наддува, да еще не с одним, а с двумя турбокомпрессорами — на V-образных двигателях. Такую конструкцию называют Twin Turbo. Запомнить легко — как Twin bed в гостинице. Иногда название трансформируется в Biturbo, что сути дела не меняет: турбокомпрессоры стоят параллельно и каждый обслуживает свою секцию цилиндров.
Такой автомобиль, как правило, могут приобрести немногие. Правда, при нынешней российской налоговой политике, когда приходится платить пошлину с объема двигателя, некоторые могут предпочесть турбированный вариант, благо они все еще имеются в каталогах большинства производителей. Дело вкуса. И денег. Кстати Mercedes-Benz и BMW, продукция которых у нас столь популярна, не имеют сегодня ни одного серийного бензинового турбодвигателя.
С экономической, экологической, да и многих других точек зрения весьма привлекательно выглядят турбированные дизели.