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
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.
Задача повышения мощности и крутящего момента двигателя была актуальна всегда. Мощность двигателя напрямую связана с рабочим объемом цилиндров и количеством подаваемой в них топливо-воздушной смеси. Т.е., чем больше в цилиндрах сгорает топлива, тем более высокую мощность развивает силовой агрегат. Однако самое простое решение – повысить мощность двигателя путем увеличения его рабочего объема приводит к увеличению габаритов и массы конструкции.
Количество подаваемой рабочей смеси можно поднять за счет увеличения оборотов коленчатого вала (другими словами, реализовать в цилиндрах за единицу времени большее число рабочих циклов), но при этом возникнут серьезные проблемы, связанные с ростом сил инерции и резким увеличением механических нагрузок на детали силового агрегата, что приведет к снижению ресурса мотора. Наиболее действенным способом в этой ситуации является наддув.
Представим себе такт впуска двигателя внутреннего сгорания: мотор в это время работает как насос, к тому же весьма неэффективный – на пути воздуха находится воздушный фильтр, изгибы впускных каналов, в бензиновых моторах – еще и дроссельная заслонка. Все это, безусловно, снижает наполнение цилиндра. Ну а что требуется, чтобы его повысить? Поднять давление перед впускным клапаном – тогда воздуха в цилиндре “поместится” больше. При наддуве улучшается наполнение цилиндров свежим зарядом, что позволяет сжигать в цилиндрах большее количество топлива и получать за счет этого более высокую агрегатную мощность двигателя.
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.
У каждого способа свои преимущества и недостатки, определяющие область применения.
Как уже отмечалось в начале статьи, для лучшего наполнения цилиндра следует поднять давление перед впускным клапаном. Между тем повышенное давление необходимо вовсе не постоянно – достаточно, чтобы оно поднялось в момент закрытия клапана и «догрузило» цилиндр дополнительной порцией воздуха. Для кратковременного повышения давления вполне подойдет волна сжатия, «гуляющая» по впускному трубопроводу при работе мотора. Достаточно лишь рассчитать длину самого трубопровода, чтобы волна, несколько раз отразившись от его концов, пришла к клапану в нужный момент.
Теория проста, а вот воплощение ее требует немалой изобретательности: клапан при разных оборотах коленчатого вала открыт неодинаковое время, а потому для использования эффекта резонансного наддува требуются впускные трубопроводы переменной длины. При коротком впускном коллекторе мотор лучше работает на высоких оборотах, при низких оборотах более эффективен длинный впускной тракт. Переменные длины впускных трубопроводов можно создать двумя способами: или путем подключения резонансной камеры, или через переключение на нужный впускной канал или его подключение. Последний вариант называют еще динамическим наддувом. Как резонансный, так и динамический наддув могут ускорить течение впускного столба воздуха.
Эффекты наддува, создаваемые 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. Для полноты картины отметим, что существует еще инерционный наддув, при котором основным фактором создания избыточного давления перед клапаном является скоростной напор потока во впускном трубопроводе. Дает незначительную прибавку мощности при высоких (больше 140 км/ч) скоростях движения. Используется в основном на мотоциклах.
Механические нагнетатели (по англ. supercharger) позволяют довольно простым способом существенно поднять мощность мотора.
Имея привод непосредственно от коленчатого вала двигателя, компрессор способен закачивать воздух в цилиндры при минимальных оборотах без задержки увеличивать давление наддува строго пропорционально оборотам мотора. Но у них есть и недостатки. Они снижают КПД ДВС, так как на их привод расходуется часть мощности, вырабатываемой силовым агрегатом. Системы механического наддува занимают больше места, требуют специального привода (зубчатый ремень или шестеренчатый привод) и издают повышенный шум.
Существует два вида механических нагнетателей: объемные и центробежные.
Типичными представителемя объемных нагнетателей являются нагнетатель Roots и компрессор Lysholm.
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. Основной недостаток – в ограниченном значении наддува. Как бы безупречно ни были подогнаны детали нагнетателя, при достижении определенного давления воздух начинает просачиваться назад, снижая КПД системы. Способов борьбы немного: увеличить скорость вращения роторов либо сделать нагнетатель двух- и даже трехступенчатым.
Таким образом можно повысить итоговые значения до приемлемого уровня, однако многоступенчатые конструкции лишены своего главного достоинства – компактности. Еще одним минусом является неравномерное нагнетание на выходе, ведь воздух подается порциями. В современных конструкциях применяются трехзубчатые роторы спиральной формы, а впускное и выпускное окна имеют треугольную форму. Благодаря этим ухищрениям нагнетатели объемного типа практически избавились от пульсирующего эффекта. Невысокие скорости вращения роторов, а следовательно, долговечность конструкции вкупе с низким шумом привели к тому, что ими щедро оснащают свою продукцию такие именитые бренды, как DaimlerChrysler, Ford и General Motors.
Объемные нагнетатели поднимают кривые мощности и крутящего момента, не изменяя их формы. Они эффективны уже на малых и средних оборотах, а это наилучшим образом сказывается на динамике разгона. Проблема лишь в том, что подобные системы очень прихотливы в изготовлении и установке, а значит, довольно дороги.
Еще один способ нагнетать во впускной коллектор воздух под избыточным давлением в свое время предложил инженер Лисхольм (Lysholm). Его детище окрестили винтовым нагнетателем, или «double screw» (двойной винт). Конструкция наддува Лисхольма чем-то напоминает обычную мясорубку.
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. Однако ими не брезгуют такие именитые тюнинг-ателье, как AMG или Kleemann.
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. Центробежные нагнетатели страдают аналогичным, хотя и менее заметным инерционным пороком, но есть и еще одна важная особенность. Фактически величина производимого давления пропорциональна квадрату скорости компрессорного колеса.
Проще говоря, вращаться оно должно очень быстро, чтобы надуть в цилиндры необходимый воздушный заряд, порой в десятки раз превышая обороты двигателя. Эффективен центробежный нагнетатель на высоких оборотах. Механические «центробежники» не так капризны в обслуживании и долговечнее газодинамических собратьев, поскольку работают при менее экстремальных температурах. Неприхотливость, а следовательно, и дешевизна конструкции снискали им популярность в сфере любительского тюнинга.
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.
Газотурбинный наддув
Более широко на современных автомобильных двигателях применяются турбокомпрессоры. По сути, это тот же центробежный компрессор, но с другой схемой привода. Это самое важное, можно сказать, принципиальное отличие механических нагнетателей от “турбо”. Именно схема привода в значительной мере определяет характеристики и области применения тех или иных конструкций. У турбокомпрессора крыльчатка-нагнетатель сидит на одном валу с крыльчаткой-турбиной, которая встроена в выпускной коллектор двигателя и приводится во вращение отработавшими газами. Частота вращения может превышать 200.000 об./мин. Прямой связи с коленвалом двигателя нет, и управление подачей воздуха осуществляется за счёт давления отработавших газов.
К достоинствам турбонаддува относят: повышение КПД и экономичности мотора (механический привод отбирает мощность у двигателя, этот же использует энергию отработавших газов, следовательно, КПД увеличивает). Не следует путать удельную и общую экономичность мотора. Естественно, для работы двигателя, мощность которого возросла за счет применения турбонаддува, требуется больше топлива, чем для аналогичного безнаддувного мотора меньшей мощности. Ведь наполнение цилиндров воздухом улучшают, как мы помним, для того, чтобы сжечь в них большее количество топлива. Но массовая доля топлива, приходящаяся на единицу мощности в час у двигателя, оснащенного ТК, всегда ниже, чем у схожего по конструкции силового агрегата, лишенного наддува.
Турбонаддув дает возможность достичь заданных характеристик силового агрегата при меньших габаритах и массе, чем в случае применения “атмосферного” двигателя. Кроме того, у турбодвигателя лучше экологические показатели. Наддув камеры сгорания приводит к снижению температуры и, следовательно, уменьшению образования оксидов азота. В бензиновых двигателях наддувом добиваются более полного сгорания топлива, особенно на переходных режимах работы. В дизелях дополнительная подача воздуха позволяет отодвинуть границу возникновения дымности, т. е. бороться с выбросами частиц сажи.
Дизели существенно лучше приспособлены к наддуву вообще, и к турбонаддуву в частности. В отличие от бензиновых моторов, в которых давление наддува ограничивается опасностью возникновения детонации, им такое явление неведомо. Дизель можно наддувать вплоть до достижения предельных механических нагрузок в его механизмах. К тому же отсутствие дросселирования воздуха на впуске и высокая степень сжатия обеспечивают большее давление отработавших газов и их меньшую температуру в сравнении с бензиновыми моторами. В общем, как раз то, что нужно для применения турбокомпрессора. Турбокомпрессоры более просты в изготовлении, что окупает ряд присущих им недостатков.
При низкой частоте вращения двигателя количество отработавших газов невелико, соответственно, эффективность работы компрессора невысока. Кроме того, турбонаддувный двигатель, как правило, имеет т. н. «турбояму» (по-английски “turbo-lag”) - 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, пока мотор наберет обороты, увеличится давление выхлопных газов, раскрутится турбина, с ней крыльчатка нагнетателя – и наконец, “пойдет” воздух. 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.
Снижение массы достигается не только конструкцией ротора, но и выбором для него соответствующих материалов. Основная сложность при этом- высокая температура отработавших газов. Металлокерамический ротор турбины примерно на 20% легче изготовленного из жаростойких сплавов, да к тому же обладает меньшим моментом инерции. До последнего времени срок службы всего агрегата ограничивала долговечность подшипников. По сути, это были вкладыши, подобные вкладышам коленчатого вала, которые смазывались маслом под давлением. Износ таких подшипников скольжения был, конечно, велик, однако шариковые не выдерживали огромной частоты вращения и высоких температур. Выход нашли когда удалось разработать подшипники с керамическими шариками. Однако достойно удивления не применение керамики – подшипники заполнены постоянным запасом пластичной смазки, то есть канал от штатной масляной системы двигателя уже не нужен!
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. Полностью решить все проблемы можно использованием турбины с изменяемой геометрией (Variable Nozzle Turbine), например, с подвижными (поворотными) лопатками, параметры которой можно менять в широких пределах.
Принцип действия VNT турбокомпрессора заключается в оптимизации потока выхлопных газов, направляемых на крыльчатку турбины. На низких оборотах двигателя и малом количестве выхлопных газов VNT турбокомпрессор направляет весь поток выхлопных газов на колесо турбины, тем самым увеличивая ее мощность и давление наддува. При высоких оборотах и высоком уровне газового потока турбокомпрессор VNT располагает подвижные лопатки в открытом положении, увеличивая площадь сечения и отводя часть выхлопных газов от крыльчатки, защищая себя от превышения оборотов и поддерживая давление наддува на необходимом двигателю уровне, исключая перенаддув.
Комбинированные системы
Помимо одиночных систем наддува сейчас часто встречается и двухступенчатый наддув. Первая ступень - приводной компрессор - обеспечивает эффективный наддув на малых оборотах ДВС, а вторая - турбонагнетатель - утилизирует энергию выхлопных газов. После достижения силовым агрегатом достаточных для нормальной работы турбины оборотов, компрессор автоматически выключается, а при их падении вновь вступает в действие.
Ряд производителей устанавливают на свои моторы сразу два турбокомпрессора. Такие системы называют «битурбо» или «твинтурбо». Принципиальной разницы в них нет, за одним лишь исключением. «Битурбо» подразумевает использование разных по диаметру, а следовательно и производительности, турбин. Причем алгоритм их включения может быть как параллельным, так и последовательным (секвентальным). На низких оборотах быстро раскручивается и вступает в работу турбонаддув маленького диаметра, на средних к нему подключается «старший брат».
Таким образом, выравнивается разгонная характеристика автомобиля. Система дорогостоящая, поэтому ее можно встретить на престижных автомобилях, например Maserati или Aston Martin. Основная задача «твинтурбо» заключается не в сглаживании «турбоямы», а в достижении максимальной производительности. При этом используются две одинаковые турбины. Устанавливаются «твин-» и «битурбо» как на V-образные блоки, так и на рядные моторы. Варианты подключения турбин также идентичны системе «битурбо». В чем же смысл? Дело в том, что производительность турбины напрямую зависит от двух ее параметров: диаметра и скорости вращения. Оба показателя весьма капризны. Увеличение диаметра приводит к повышению инерционности и, как следствие, к пресловутой «турбояме». Скорость же турбины ограничивается допустимыми нагрузками на материалы. Поэтому две скромные и менее инерционные турбины могут оказаться эффективнее одной большой.
Во-первых, вовремя меняйте масло и масляный фильтр. Во-вторых, используйте только масло, предназначенное для двигателей, оборудованных турбонаддувом, которое изначально рассчитано на более высокие температуры, чем обычное. Но в дороге всякое может случиться, и если вам пришлось залить неизвестное масло, то не гоните, двигайтесь потихоньку. Двигатель это масло переживет, а вот турбонаддув - не обязательно. Приехав домой, сразу же смените масло и масляный фильтр.
И, наконец, третье, самое главное условие нормальной работы турбонаддува. В жизни турбины есть два самых ответственных момента: запуск двигателя и его остановка. При запуске холодного двигателя масло в нем имеет высокую вязкость, оно с трудом прокачивается по зазорам; еще не установились тепловые зазоры; нагрев разных деталей компрессора, а следовательно, и тепловое расширение, идут с разной скоростью. Поэтому не спешите, дайте двигателю прогреться.
Если вам надо остановиться, никогда не глушите двигатель сразу. В зависимости от режима езды дайте ему поработать на холостом ходу 2-5 минут (зимой можно дольше). За это время вал турбины снизит обороты до минимальных, а детали, непосредственно соприкасающиеся с выхлопными газами, плавно остынут. В этой ситуации значительно облегчает жизнь турбо-таймер. Он проследит за тем, чтобы разгоряченный двигатель автомобиля поработал несколько минут на холостом ходу, остужая элементы турбонаддува, даже если владелец уже покинул и закрыл своё авто. Впрочем, подобную функцию имеют и многие охранные сигнализации.
Мощность двигателя может быть также увеличена за счет наддува. Для наддува применяют специальные компрессоры с приводом от коленчатого вала затрачивается часть мощности или газотурбинные в которых воздух или горючая смесь сжимается до поступления в цилиндры. Системы наддува Наиболее характерными схемами наддува являются: механический наддув; турбокомпрессорный наддув газовая турбина центробежный компрессор; комбинированный наддув механический газотурбинный; компрессор расположен до карбюратора нужна герметизация;...
Поделитесь работой в социальных сетях
Если эта работа Вам не подошла внизу страницы есть список похожих работ. Так же Вы можете воспользоваться кнопкой поиск
ЛЕКЦИЯ 15
СИСТЕМА НАДДУВА
1 Общие сведения о наддуве двигателей
Основными тенденциями в совершенствовании ДВС является повышение мощности при снижении расхода горючего и токсических компонентов отработавших газов. Анализ развития средств назнемного транспорта показывает, что поршневые двигатели еще долгое время будут сохранять лидирующие позициии. Конструкцию двигателя принято оценивать по литровой мощности
В основном увеличение мощности связано с увеличением числа оборотов коленчатого вала двигателя. Увеличение числа оборотов эффективно в том случае, если коэффициент наполнения имеет большую величину. С этой целью следует уменьшать потери во впускной и выпускной системах, использовать в них инерционные явления и совершенствовать системы газораспределения. Для повышения эффективной мощности с ростом числа оборотов необходимо снижать механические потери (применение соответствующих материалов, масел, стабильность температурного режима, очистка масла от механических примесей и его охлаждение, точность изготовления деталей и качество механической обработки поверхности).
Мощность двигателя может быть также увеличена за счет наддува. Для наддува применяют специальные компрессоры с приводом от коленчатого вала (затрачивается часть мощности) или газотурбинные, в которых воздух или горючая смесь сжимается до поступления в цилиндры. Сжатие заряда происходит быстрее чем повышение температуры заряда, поэтому плотность заряда после сжатия больше плотности заряда до компрессора. Массовое количество заряда, поступающего за цикл в цилиндр двигателя будет больше, чем при впуске из атмосферы.
2 Системы наддува
Наиболее характерными схемами наддува являются:
- механический наддув;
- турбокомпрессорный наддув (газовая турбина + центробежный компрессор);
- комбинированный наддув (механический + газотурбинный);
- компрессор расположен до карбюратора (нужна герметизация);
- компрессор расположен после карбюратора (улучшается смесеобразование, ухудшаются условия работы лопаток компрессора из-за топлива);
- импульсная система наддува;
- неимпульсная система наддува.
Наибольшее применение для наддува получили лопаточно-центробежные компрессоры. Основными параметрами компрессора являются степень повышения давления, производительность компрессора и адиабатический КПД. Работа, затрачиваемая на сжатие 1 кг воздуха в компрессоре от давления Ро до Рк (адиабатическое сжатие) определяется:
В действительности процесс сжатия происходит при наличиии теплообмена с окружающей средой и внутренних потерь, что увеличивает затрачиваемую работу. Это учитывается адиабатическим КПД (0,65 ─ при степени повышения давления равной 1,3. При увеличении степени, КПД снижается до 0,5). Для достижения больших давлений наддува применяют роторно-шестеренчатые компрессоры.
В быстроходных двигателях применяют высокооборотные центробежные или осевые компрессоры (). При снижении КПД и повышении степени наддува значительно увеличивается работа, затрачиваемая на сжатие заряда в компрессоре и температура, эффективность наддува при этом снижается. При повышении степени наддува сверх определенного значения эффективная мощность не возрастает из-за уменьшения механического КПД двигателя вследствии роста мощности, затрачиваемой на привод компрессора.
Наддув несколько изменяет характер процесса сгорания вследствии повышения давления и температуры конца сжатия. При наддуве увеличивается количество топлива, участвующего в сгорании, следовательно возрастают максимальные зна чения давления, температуры конца сгорания, возрастает тапловая напряженность деталей. В момент перекрытия клапанов при наддуве происходит более лучшее охлаждение клапанов. Указанные обстоятельства следует учитывать при применении наддува.
В карбюраторных двигателях применение наддува ограничивается условиями возникновения детонационного сгорания и чаще всего применяется при эксплуатации автомобилей в горных условиях. Если применяется наддув в карбюраторном двигателе требуется коррекция показателя степени сжатия. Применение сравнительно высоких давлений наддува (больше 0,2 Мпа ) требует изменения фаз газораспределения, применения холодильника для снижения температуры заряда после сжатия. Использование наддува наиболее эффективно в дизелях, где увеличение давления наддува лимитируется только термической и механической прочностью конструкции двигателя. Мощность дыигателя при этом повышается на 20-30% и среднее эфффективное давление возрастает до 0,9-0,95 Мпа.
3 Газотурбинный наддув
При ГТН для сжатия воздуха и его нагнетания используется часть энергии отработавших газов. Это позволяет частично утилизировать перепад между давлением в конце процесса расширения в цилиндре двигателя и атмосферным давлением воздуха. Мощность двигателй при ГТН может возрастать до 50%, снижается токсичность отработавших газов. Конструкция двигателя включает применение соответствующих материалов, что удорожает изготовление двигателя, но стоимость двигателя, отнесенная к единице мощности меньше, чем без наддува. Воздух поступает в компрессор через входное устройство в центре корпуса. Рабочее колесо и направляющий аппарат обеспечивают возрастание потенциальной и кинетической энергии, далее воздух поступает в диффузор и воздухосборник, откуда распределяется по цилиндрам при открытии клапана. Абсолютная скорость движения воздуха в колесе достигает 300-350 м/с.
Турбокомпрессор состоит из одноступенчатого центробежного компрессора и радиальной центростремительной турбины. Основными узлами турбокомпрессора являются: компрессорная ступень, турбинная ступень и узел подшипникков с уплотнениями. Колеса компрессора и турбины расположены на противоположных концах вала ротора консольно относительно подшипников. Рабочее колесо компрессора отливается из сплава типа АЛ4 в гипсовые формы, полученные по эластичным моделям. Колесо одевается на вал с натягом, поэтому при установке на вал оно нагревается до 1100-1300 гр.С. Рабочее колесо турбины полуоткрытого типа с радиальными лопатками изготавливается методом литья по выплавляемым моделям из жаропрочного никелевого сплава типа ИНКО-713С, АНВ-300 и им подобным. Оно соединяется с валом сваркой трением.Корпус изготавливается из жаропрочного чугуна. В турбокомпрессоре применен “плавающий” подшипник скольжения с невращающейся моновтулкой. От осевых перемещений ротор удерживается с двух сторон втулками кольцедержателями, напресованными на вал ротора турбокомпрессора. Смазака подшипника осуществляется от система смазки двигателя, под давлением, в корпус подшипников.Для устойчивой работы двигателя на всех оборотах, уменьшения эффекта "турбоямы", применена система регулирования давления, с помощью регулятора, путем перепуска газа мимо турбины.
Отработавшие газы поступают на лопатки соплового аппарата в корпусе. При прохождении газа через сопловый аппарат скорость его увеличивается. С этой скоростью газ поступает в лопаточные каналы рабочего колеса турбины. Тангенциальное действие струи газов на лопатки вызывает появление крутящего момента. На выходе из турбины устанавливают вращающийся выходной спрямляющий аппарат. Окружная скорость рабочих колес турбокомпрессора определяется напором, развиваемым турбокомпрессором. V= 280-350 м/с. При средней температуре около 700 градусов Цельсия и более колеса турбин изготавливают из сплавов на никелевой основе. Для обеспечения высокой приемистости турбокомпрессора стараются снизить наружний диаметр и момент инерции рабочего колеса. По окружной скорости и диаметру рабочего колеса вычисляют частоту вращение ротора, которая может достигать 50000-80000 об/мин.
4 Характеристики автомобильных двигателей с наддувом
Расчетные характеристики турбокомпрессора должны обеспечивать характер нарастания крутящего момента аналогично двигателю без наддува. В этом случае наибольшая подача воздуха должна происходить на таком скоростном режиме, при котором крутящий момент максимальный. При увеличении цикловой подачи снижается коэффициент избытка воздуха, но его снижение должно быть таким, чтобы не происходило увеличение дымности отработавших газов. Отдельные конструкции турбокомпрессора имеют регулируемые сопловые каналы, которые при снижении числа оборотов коленчатого вала с помоью специального устройства поворачивают лопатки соплового аппарата в сторону уменьшения проходного сечения. В результате этого давление газа на входе повышается и скорость истечения увеличивается, что повышает частоту вращения вала ТК и давление свежего заряда. Удельный расход топлива практически остается одинаковым при повышении мощности двигателя.
В трубопроводах быстроходных автомобильных двигателей в процессе впуска и выпуска возникают колебания газового потока. Это явление во впускных и выпускных трубопроводах можно использовать для динамического наддува. Если настроить выпускную систему так, чтобы к концу процесса выпуска в момент перекрытия клапанов вблизи выпускного клапана образовывалось разряжение, то количество остаточных газов уменьшится, улучшится наполнение цилиндра. При аналогичной организации процесса впуска в конце впуска давление свежего заряда увеличивается, что вызывает улучшение наполнения цилиндра. Настройка динамической системы выпуска отработавших газов производится путем изменения длины выпускного трубопровода для каждой группы цилиндров. Правильно настроенная система выпуска и впуска обеспечивает увеличение эффективной мощности двигателя до 10%.
Другие похожие работы, которые могут вас заинтересовать.вшм> |
|||
| 4138. | Система альтернативного голосування. Система кумулятивного голосування. Система балів | 4.28 KB | |
| Система альтернативного голосування. Система кумулятивного голосування. Система балів Способом яким долається нерезультативність системи абсолютної більшості вже у першому турі виборів є альтернативне голосування преференційне або абсолютне голосування за якого виборці голосують за одного кандидата але вказують при цьому порядок своїх переваг для інших. Така система запроваджена у Австралії при виборах Палати представників нижньої палати австралійського парламенту. | |||
| 9740. | Партийно политическая система Японии и избирательное право и система | 47.98 KB | |
| Основные права человека гарантируются Конституцией Японии. Они определяются как вечные и незыблемые. К этим правам относятся право на равенство, свободу, социальные права, право на защиту основных прав человека. Конституция позволяет ограничивать права человека, если они нарушают общественное совместное благосостояние или права других людей. | |||
| 2668. | Энергетическая система (энергосистема). Электроэнергетическая (электрическая) система | 44.5 KB | |
| Естественные природные источники из которых энергия черпается для приготовления ее в нужных видах для различных технологических процессов называются энергетическими ресурсами. Различают следующие виды основных энергетических ресурсов: а химическая энергия топлива; б атомная энергия; в водная энергия то есть гидравлическая; г энергия излучения солнца; д энергия ветра. е энергия приливов и отливов; ж геотермальная энергия. Первичный источник энергии или энергоресурс уголь газ нефть урановый концентрат гидроэнергия солнечная... | |||
| 5899. | Система права и система законодательства | 22.78 KB | |
| Система права и система законодательства Понятие системы права Система права суть внутреннее строение структура права отражающее объединение и дифференциацию юридических норм. Основная цель этого понятия объяснить одновременно интегрирование и деление нормативного массива на отрасли и институты дать системную характеристику позитивного права в целом. Особо здесь нужно подчеркнуть то что структура права его система обусловливает его форму систему законодательства и неразрывно с ней связана. те права и обязанности которые стали... | |||
| 4136. | Мажоритарна виборча система абсолютної більшості. Мажоритарна виборча система відносної більшості | 3.91 KB | |
| Розглянемо наступний вид уніномінальних мажоритарних систем систему абсолютної більшості яка на відміну від попередньої системи для обрання кандидата вимагає зібрати більше половини голосів виборців тобто діє формула 50 плюс один голос. Таким чином за системи абсолютної більшості вибори найчастіше всього здійснюються у два тури. При застосуванні цієї системи як правило є обовязковий нижній поріг участі виборців у голосуванні. Головним недоліком мажоритарної системи абсолютної більшості є певна нерезультативність виборів. | |||
| 17398. | Система Сатурна | 1.58 MB | |
| Если принять во внимание, что кольца состоят из глыб льда, то может ли это помешать пролёту космического корабля через них? Думаю, что да, так как может повредиться обшивка корабля, или корабль может отклониться от курса. Следовательно, траектория должна быть рассчитана так, чтобы миновать кольца. | |||
| 5780. | Правовая система | 14.89 KB | |
| Право как система характеризуется следующими признаками: Вопервых система права характеризуется объективностью. Вовторых для системы права характерны единство и взаимосвязь норм ее составляющих. Любой структурный элемент извлеченный из системы права лишается системных функций а следовательно и социальной значимости. Втретьих система права как целостное образование охватывает все нормы действующие в той или иной стране и представляет собой сложный многоуровневый комплекс состоящий из норм права правовых институтов и отраслей... | |||
| 9300. | Система акцизов | 13.4 KB | |
| О порядке исчисления и уплаты акцизов В законодательных актах Российской Федерации: взимание акцизов с подакцизных товаров ввозимых на территорию Российской Федерации порядок уплаты акцизов на нефть включая газовый конденсат на отдельные виды минерального сырья закон О недрах. | |||
| 2238. | КРОВЕНОСНАЯ СИСТЕМА | 16.95 KB | |
| Артерии сосуды по которым кровь движется от сердца. В зависимости от соотношения тканевых элементов в стенке артерий выделяют артерии 3х типов: эластического типа аорта легочной ствол в средней оболочке преобладают эластические волокна в них кровь поступает под большим давлением и с большой скоростью могут сильно растягиваться прочные; мышечного типа большинство артерий позвоночная плечевая лучевая артерии мозга в средней оболочке хорошо развиты миоциты закручены по типу пружины которые сокращаясь регулируют... | |||
| 6888. | Структура (система) КПР | 7.28 KB | |
| В системе конституционного права выделяют институты. самим предметом конституционного права; Источником является конституция РФ основной закон в государстве нормы которого являются исходными для всех отраслей права; Устанавливает основополагающие принципы конституционного строя являющиеся важнейшими нормами и для других отраслей права... | |||
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.