Avtoargon.ru

АвтоАргон
0 просмотров
Рейтинг статьи
1 звезда2 звезды3 звезды4 звезды5 звезд
Загрузка...

Зачем в двигателях нужен наддув: их виды и принцип работы

Зачем в двигателях нужен наддув: их виды и принцип работы

Борьба за повышение мощности двигателей велась всегда. Способов её повышения много. Можно увеличить размеры цилиндров, их число и обороты двигателя. Все эти способы приводят к увеличению размеров и массы двигателя, увеличению нагрузок на его детали.

Есть более эффективный способ увеличения мощности двигателя. Идея проста: чем больше молекул кислорода удастся затолкать в цилиндр двигателя, тем больше топлива можно там сжечь и следовательно получить большую мощность без увеличения размеров и веса двигателя. Этот способ называется наддув.

В обычном двигателе горючая смесь подается в цилиндры при давлении меньшем атмосферного. Сказывается наличие помех на пути потока (воздушный фильтр, дроссельная заслонка, повороты и шероховатость стенок впускных каналов). При наддуве давление на входе в цилиндр (перед впускным клапаном) значительно повышается.

Какие виды наддувов применяются на авто

На автомобилях используют два способа наддува: механический наддув и турбонаддув.

Механический наддув применяется на автомобилях еще с тридцатых годов двадцатого века. Представляет собой компрессор (объемный или центробежный) с приводом через шестерни от коленчатого вала двигателя. Хорошо подает воздух, начиная с минимальных оборотов двигателя. Но для работы компрессора используется мощность двигателя, уменьшая его суммарный КПД.

Объемный компрессор по принципу действия похож на масляный насос с шестернями наружного зацепления: в корпусе вращаются два трехзубых ротора, соединенные между собой.

Механический наддув — компрессор

Центробежный нагнетатель – это колесо с лопастями расположенное внутри корпуса. Воздух поступает по ости колеса, лопастями отбрасывается к стенкам корпуса и через отверстие в нем подается в цилиндры двигателя. Хорошо работает на высоких оборотах, следовательно, привод – через редуктор.

Турбонаддув часто можно встретить на современных автомобилях. Для повышения давления на впуске двигателя используется остаточная энергия выхлопных газов. Агрегат, называемый турбокомпрессором, это турбина и компрессор, насаженные на одну ось.

Турбонаддув — принцип работы

Отработанные газы, подаются на лопатки турбинного колеса и раскручивают его. Следовательно, начинает вращаться компрессорное колесо, подавая воздух в цилиндры двигателя. КПД двигателя растет – полнее используется энергия, полученная при сгорании топлива. Применение турбонаддува позволяет поднять мощность двигателя на 40 – 60%.

О минусах применения турбокомпрессора

Скорость вращения вала турбокомпрессора достигает 200 000 об/мин, что повышает его чувствительность к качеству смазочного масла.

Кроме того, турбокомпрессорам присуще явление, называемое «турбояма». Двигатель с запаздыванием откликается на нажатие педали акселератора. Причина в том, что турбокомпрессору в силу его инерционности, нужно время для увеличения оборотов и повышения подачи воздуха.

Для борьбы с этим недостатком на двигатель устанавливают параллельно два турбокомпрессора, большой и маленький.

Схема двухступенчатого турбонаддува:
1 — охладитель наддувочного воздуха; 2 — перепускной клапан наддува (bypass); 3 — турбокомпрессор ступени высокого давления; 4 — турбокомпрессор ступени низкого давления; 5 — перепускной клапан отработавших газов (wastegate).

Маленький раскручивается быстрее и подаваемого им воздуха хватает до вступления в работу большой турбины. Более эффективный способ – установить на турбину направляющий аппарат, лопасти которого, поворачиваясь, изменяют угол поступления потока выхлопных газов, тем самым регулируют скорость вращения турбины.

Что такое двигатели без наддува и с наддувом

Прошу сразу помидорами не закидывать))

Сразу говорю, я не горю желанием делать из трудяги-402 спортивный мотор, просто появилась идея, которую захотелось обсудить со знающими людьми.

Итак, имеем 31029 с 4021 двигателем и решеткой бампера от 3102 — стайлинг предыдущего владельца, мне тоже нравится. Решетка чуть шире стандартной, в итоге по бокам от фар видно некие карманы, в которых на данный момент только собирается грязь. Выглядит это так («карман» по стрелке):

Т.е., место прямо идеально подходит для установки воздухозаборника, ну а раз так, решил провентилировать эту идею. В инете, в основном, динамический наддув (вообще-то, он называется «скоростной наддув», «динамический» основан на явлениях резонанса во впускном тракте, ну пусть будет «динамический», ибо так его чаще всего называют) освящен в 2х аспектах: 1) реклама тюнинг-контор, где эти воздухозаборники, спойлеры, обвес и синие писалки идут в одном каталоге, и весь комплект обещает прирост мощности на 200%, а с писалками и все 250%. и 2) резко критичные обсуждения на форумах, из которых понятно, что никто из участников дискуссий никогда этот наддув не ставил, но все заведомо уверены в том, что толку от него никакого. Т.е., диаметрально противоположные мнения, захотелось выяснить, что же на самом деле.

Где-то здесь на форуме высказывалось мнение, что скорость входящего потока на впуске порядка 100 км/час, т.е., понятно, что с меньшей скоростью ни о каком наддуве речи быть не может. Предположим, я езжу со скоростями близкими к 100 или немного выше, до 120, т.е., на такой скорости какой-либо, пусть небольшой, эффект, чисто теоретически, должен проявиться.

Всё большее распространение на транспортных двигателях внутреннего сгорания получает динамический наддув, который при несущественных изменениях в конструкции трубопроводов приводит к повышению коэффициента наполнения до 0.92-0.96 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.

Что конкретно меня интересует.

1) описанные в приведенной цитате эффекты улучшения экономических показателей, если будет минус хотя бы поллитра на 100 км/час, то это уже 5% улучшения экономичности, что фигня, конечно, но при больших пробегах будет окупать хотя бы сигареты в дорогу, как говорится, мелочь, а приятно, тем более, что совершенно даром и дополнительный резерв, если все уже вылизано до упора. Какие будут соображения на этот счет, из-за чего возможно снижение расхода?

2) Про долговечность тоже интересует, непонятно только, сам наддув дает более бедную смесь? Карбюратор-то готовит бензовоздушную смесь не в абсолютной пропорции, а в относительной, если мы запихиваем в цилиндры чуток больше воздуха, то и бензина уйдет настолько же больше, в процентном соотношении, т.е., состав смеси практически не изменится, просто ее может быть капельку больше и наполнят цилиндры она будет немножко лучше.

3) Увеличение мощности и максимальной скорости как раз интересует меньше всего, ну точнее, ровно в той степени, в которой слегка увеличенная мощность позволит двигаться с обычной скоростью при чуть меньшем открытии дросселя. Максималка нафиг не нужна, двигатель больше 3.000 вообще стараюсь не крутить, да и превышение скорости нынче слишком уж стало бить по карману.

Т.о., я отлично понимаю, что чудес ждать никаких не стоит, в лучшем случае будет прибавка мощности или снижение расхода в пределах нескольких процентов, в худшем не будет вообще никакого эффекта, кроме повышения холостых при движении накатом на большой скорости. Но и дело-то копеечное, это не инжектор на 402 городить))

Интересует ваше мнение, только не традиционное на форумах «фильм не смотрел, но мне не понравилось» или «выкинь 402, поставь 406», а хотелось бы послушать более-менее обоснованные рассуждения на тему за и против — что это может дать хорошего, пусть даже совсем немного, и что может быть плохого — например, воздушник там мухами станет засираться или еще что. А если кто-то пробовал реализовать, то это будет вообще бесценной информацией))

Как проверить наддув турбины?

Без наддува транспортное средство начинает терять тягу. В результате появляется перерасход топлива и выброс чёрного выхлопа. Сегодня существует очень много способов, как проверить наддув турбины, которые помогают адекватно оценить состояние данного агрегата. Для этого используется специальное оборудование, поэтому нужно обращаться в мастерские, которые располагают необходимым оснащением. Информационный веб-портал Birud готов помочь каждому потребителю получать только качественные услуги. На нашем сайте пользователи делятся ценной информацией, которая помогает обойти мошенников стороной.

Читать еще:  Что такое такт работы двигателя внутреннего сгорания

Что такое турбонаддув?

Мощность движка напрямую зависит объема поступающего в мотор горючего и воздуха. При увеличении количества данных компонентов повышается и мощность. Эксплуатационные характеристики двигателя зависят от давления наддува. Чем больше воздуха попадет в цилиндр, тем производительней будет мотор. Турбокомпрессор делает транспортное средство более динамичным и экономичным при эксплуатации. Давление наддува – это прямой показатель эффективности работы силового агрегата.

Условно турбонаддув можно поделить на устройства высокого и низкого давления. В отличие от первого, второй вид может работать без регуляторов. Данную функцию в турбине выполняют механические или электронные предохранительные клапаны.

Первыми на рынке появились механические нагнетатели. Они позволили повысить мощностные характеристики транспортного средства без расширения рабочего объема моторов. Временем позже появились именно турбокомпрессоры, которые имели несколько другую технологию. Данный механизм не имеет связи с коленчатым валом движка, чем и обусловлена его эффективность. Турбина имеют массу преимуществ, среди которых:

  • • высокая производительность;
  • • отсутствие необходимости потреблять энергию мотора;
  • • экономия топливо и снижение объемов токсичных выхлопов;
  • • простота в обслуживании и ремонте.

Это не все достоинства силовых агрегатов. Они имеют огромный рабочий ресурс, поэтому при правильной эксплуатации транспортное средство будет работать долго и бесперебойно.

Причины пропажи тяги в турбокомпрессорах

Недостаточный наддув турбины наблюдается в следующих случаях:

  1. Отсутствие притока воздуха. При этом КПД компрессора равно нулю. Данная проблема чаще встречается в устройствах с изменяемой геометрией. Диагностировать повреждений можно разными способами. Первый – компьютерная диагностика. Применяется для турбонагнетателей с электронным актуатором. Второй способ – визуальная проверка. Подходит для турбин с вакуумом.
  2. Механическая поломка. На фоне длительной эксплуатации могут возникать дефекты в виде разбалансировки, нагара, деформации крыльчатки и образование люфтов. При наличии данных проблем понижается производительность турбокомпрессора и может вызвать его окончательную поломку.
  3. Нерабочая геометрия. Проверить работоспособность данного элемента несложно. Для этого с привода снимается вакуумный шланг, в результате чего шток клапан должен опуститься. При возвращении шланга на место шток должен подняться. Если этого не случилось, значит, геометрия неисправна. Выход из данной ситуации – чистка всего агрегата;

Определить причину слабого наддува можно при помощи профессиональной диагностики. В данном случае очень важно подобрать компанию, которая располагает всем необходимым оснащением, а мастера имеют высокую квалификацию.

Особенности диагностики

Проверка работоспособности силового агрегата прежде всего проверяется путем комплексной проверки. Только после этого можно сделать правильные выводы и определить, есть ли смысл восстанавливать турбины. Для проверки работоспособности выполняются следующие манипуляции:

  1. Осмотр патрубков, которые соединяют турбонагнетатель с интеркулером. В идеале они должны быть сухими или как минимум с маленькими следами масла. При наличии обильного количества смазочного материала нужно задуматься о ремонте.
  2. Проверка лопастей колеса компрессора. Должно быть полное отсутствие забоин и зазубрин.
  3. Осмотр фланцев, турбины и компрессора.
  4. Проверка герметичности.

Определить падение тяги самостоятельно не всегда возможно. Поэтому надежнее будет обратиться к опытным специалистам, которые сделают все на профессиональном уровне.

Мы тщательно проверяем всю поступающую от пользователей информацию, поэтому вы всегда будете владеть только достоверными данными. Если вы хотите поделиться своим опытом, вы можете оставить свой отзыв и помочь тем самым другим автолюбителям.

С дифференциальным наддувом

Комбинированный двигатель

Одной из возможных систем наддува является наддув с дифференциальным редуктором в приводе компрессора или газотурбонагнетателя (рис. 8.11).

Рис. 8.11. Схема системы дифференциального наддува. Д – двигатель, К – компрессор (объёмный, приводной), ДР – дифференциальный редуктор, В — вал отбора мощности.

Двигатель Д через дифференциальный редуктор ДР связан как с валом отбора мощности В, так и с приводным компрессором К (в данном случае предпочтительно –нагнетателем объёмного типа). При работе двигателя с такой системой повышение внешней нагрузки, а следовательно снижение частоты вращения вала В отбора мощности приводит к увеличению частоты вращения привода компрессора К (нагнетателя), т. е. увеличивается расход сжатого воздуха на двигатель, появляется возможность соответствующего увеличения подачи топлива, растёт развиваемый двигателем крутящий момент. На рис. 8.11. показана схема дифференциального редуктора. В данном случае коронная шестерня 3 связана с валом отбора мощности В. Водило 1 связано с коленчатым валом двигателя. Солнечная шестерня5выполнена заодно с шестерней привода компрессора через повышающую передачу (6, 2).

Таким образом, при снижении частоты вращения выходного вала В и коронной шестерни 3 увеличивается частота вращения сателлитов 4, частота вращения солнечной шестерни 5 возрастает, а следовательно растёт частота вращения шестерен 6 и 2 привода компрессора.

В случае дифференциального наддува возможно применение схемы, в которой дифференциальный редуктор связан с газотурбонагнетателем. В этом случае газовая турбина должна иметь сопловой регулируемый аппарат для согласования скоростей газа на входе в турбину с окружной скоростью газовой турбины, поскольку последняя зависит также от передаваемого на вал турбины крутящего момента от вала двигателя. Двигатель с такой комбинированной системой наддува (механическая связь плюс газоваясвязь двигателя с турбонагнетателем) обеспечивает практически постоянное увеличение крутящего момента со снижением частоты вращения, как это показано на рис. 8.12.

Рис. 8.12. Характеристика крутящего момента дизеля с дифференциальной системой наддува.

Коэффициент приспособляемости может быть увеличен до 1,5 – 1,8. Известно применение такой системы наддува на двигателе типа Перкинс, где был полученкоэффициент приспособляемости К = 2,0.

Повторимся, что такая система наддува наиболее применима для двигателей экскаваторов, различных грузоподъёмных машин и т. д.

8.5. Системы наддува “Максидайн” и “Гипербар”

Двигатели машин строительно – дородного назначения, а также транспортных средств общественного транспорта (автобусы и т. д.) редко работают на режимах полной мощности. Поэтому для них значительно более интересно иметь повышенные крутящие моменты в области пониженных частот вращения, чем высокие мощности на повышенных скоростных режимах. Работа на низких частотах с повышенным моментом позволяет снизить количество переключений передач или выполнить коробку передач с меньшим числом ступеней, а также обеспечить расход топлива, приемлемый на этих режимах. Конечно, в этом случае увеличивается достижимое ускорение, например, автобуса и т. д. Таким образом, для двигателей такого назначения нет необходимости форсирования двигателя на высоких частотах вращения, зато очень важно повысить развиваемый момент при пониженных частотах. Ранее были рассмотрены случаи, когда повышение крутящего моментасо снижением частоты вращения вала достигалось различным регулированием наддува, механическим приводом нагнетателя и т. д., причём, это достигалось при одновременном форсировании двигателя по мощности в области высоких скоростных режимов. Теперь мы не ставим задачу форсирования двигателя наддувом на номинале, зато требуем повышения крутящего момента двигателя с газотурбинным наддувом при понижении частоты вращения.

Ранее мы уже говорили о том, что оптимальный к. п. д. газовой турбины достигается при правильном выборе направления потока газа, входящего на лопатки турбины. И в большинстве рассмотренных ранее случаев этой оптимальности добивались на номинальном режиме. На других скоростных режимах, т. е. при других скоростях газа на входе в турбину в ряде случаев применяют регулируемый сопловой аппарат (последнее, конечно, усложняет и удорожает двигатель, а намалоразмерных двигателях часто является не решаемой задачей). Существо системы наддува “Максидайн” заключается в том, что оптимальности условий входа газа на лопатки газовой турбины добиваются на режимах с пониженной частотой вращения вала. Т. е. лопатки газовой турбины проектируются под параметры скорости отработавших газов именно на пониженных скоростных режимах. Очевидно, чтовэтом случае на режимах повышенных частот вращения газовая турбина работает на неоптимальных режимах, т. е. с потерей мощности, к. п. д. Исследования такой системы проведено фирмами МАСК и CUMMINS в США. Исследования показали, что с применением такой системы дизель на скоростном режиме порядка 55% от номинального имеет мощность на 40% более высокую, чем дизель без наддува. Однако, на номинальном скоростном режиме он теряет около 10% мощности, по сравнению с дизелем с естественным всасыванием.

Читать еще:  В чем отличия датчиков температуры на 405 двигателе

Кривая момента дизеля с такой системой наддува приведена на рис. 8.13. Интересно сравнить её с кривой на рис. 8.11.

Рис. 8.13. Характеристика крутящего момента дизеля с системой наддува Максидайн.

Видно, что кривая 7 довольно похожа на кривую 6, которая представляет собой почти идеальную характеристику для двигателей указанного назначения, а достигается она с меньшими затратами при меньшей сложности системы наддува.

Системы наддува такого типа получили сравнительно широкое распространение в США, однако, не пользуются успехом на рынке Европы. И связано это прежде всего с тем, что европейский покупатель не хочет платить повышенные суммы денег за двигатель с наддувом, у которого мощность (номинальная, паспортная) меньше, чем у двигателя без наддува.

На рис. 8.14 приведён общий вид с разрезами дизеля MACK, оснащённого турбокомпрессором (ТК), выполненным по принципу “Максидайн”. Видна хорошая компоновка турбокомпрессора на дизеле, малые габариты ТК.

Рис. 8.14. Внешний вид автомобильного дизеля MACK, оборудованного турбокомпрессором, спроектированным для реализации принципа “Максидайн”.

Ещё более существенные возможности повышения крутящего момента в области пониженных частот даёт система наддува “Гипербар”.

Схема системы приведена на рис.8.15.

Рис. 8.15. Схема системы наддува Гипербар: 1 – пусковой двигатель, 2 – компрессор, 3 – заслонка, 4 – охладитель, 5 – перепускной канал, 6 – двигатель, 7 – выпускной канал, 8 – топливный насос с регулятором, 9 – камера сгорания, 10 – зона перемешивания воздуха и ОГ, 11 – выпуск ОГ, 12 – газовая турбина, 13 – выпускные органы, 14 – впускные органы, 15 – газотурбонагнетатель.

В системе “Гипербар” к газовой турбине 12 помимо выпускных газов дизеля 6 подводится непосредственно из компрессора 2 воздух, температура которого повышается за счёт сжигания топлива в специальной камере сгорания 9. При запуске дизеля сначала пусковым двигателем 1 раскручивают турбокомпрессор 15. Воздух из компрессора 2 через открытую заслонку 3 поступает в цилиндры дизеля 6, а затем в камеру сгорания 9. В ней горит запальное пламя и в неё подаётся топливо от насоса 8. После камеры сгорания 9 горячие газы подаются на газовую турбину 12, повышая развиваемую ею мощность. Турбокомпрессор 15 раскручивается, обеспечивая достаточный расход сжатого воздуха. Двигатель запускается. При повышении нагрузки, когда компрессор подаёт воздух повышенной температуры, заслонка 3 открывает проход воздуха уже через охладитель 4. Избыточный воздух проходит по перепускному каналу 5 и в зоне 10 происходит смешивание отработавших газов из дизеля 6 с избыточным (дополнительным) воздухом. Смесь поступает в камеру сгорания 9, где благодаря сжиганию дополнительного топлива температура газов повышается. Газы поступают на газовую турбину 12, увеличивая её мощность. За счёт перепуска воздуха мимо двигателя и впрыскивания топлива в камеру сгорания турбокомпрессор может работать и при остановленном дизеле. Камера сгорания может использоваться либо только на тех эксплуатационных режимах, где к турбине подводится слишком мало энергии с выпускными газами двигателя (в связи со слишком низкой температурой ОГ), либо в случаях, когда с газовой турбины снимается дополнительная полезная мощность. В настоящее время известно применение системы “Гипербар” во всём диапазоне скоростных режимов работы двигателя.

Такая система наддува обладает рядом особенностей. Так, дизель имеет низкую степень сжатия (e=7) для того, чтобы ограничить максимальное давление в цилиндрах при высоком наддуве. Турбокомпрессор имеет высокую степень повышения давления (pк=5). При необходимости может применяться двухступенчатая система наддува. При пуске дизеля охладитель наддувочного воздуха отключается и воздух на входе в дизель подогревается (что необходимо из за низкой степени сжатия в поршневой части). При эксплуатации подогрев воздуха не нужен, так как компрессор имеет высокую степень повышения давления, наоборот, воздух охлаждается. Впрыскивание топлива в камеру сгорания и перепуск воздуха регулируются в соответствии с заданными законами. Небольшое запальное пламя всегда горит в камере сгорания.

Такая система обеспечивает получение высокого среднего эффективного давления (до 3,0 МПа) при сравнительно невысоком Рz (14 МПа), т. е. Рzе достигает порядка 4,67. Двигатель имеет высокую удельную мощность при умеренной тепловой нагрузке. На рис. 8.16. приведена характеристика шестицилиндрового дизеля с S/D =12,2/13,5, оснащённого системой “Гипербар”.

Рис. 8.16. Характеристика дизеля с системой наддува Гипербар.

А – расчётная рабочая точка, I – области режимов при рабоиающем турбокомпрессоре (ТК) и горящем запальном пламени в камере сгорания (КС), II – область работы с перепуском воздуха и его нагреванием для обеспечения самовоспламенения в цилиндре, III – режимы работы с перепусков воздуха и работой КС для обеспечения высокого давления наддува и высокого крутящего момента, IV – режимы с запасом мощности при работе только с ТК.

Расчётная рабочая точка обозначена буквой А. Зона (или область) I – это режимы, при которых дизель работает с турбокомпрессором, но без дополнительной камеры сгорания, в которой в это время горит лишь запальное пламя.

Область II – это режимы, при которых происходит перепуск части воздуха, а воздух, поступающий в двигатель, подогревается для обеспечения самовоспламенения в цилиндрах. Область III – это режимы с перепуском воздуха и работой камеры сгорания для обеспечения высокого давления наддува и высокого крутящего момента. Зона IV – это режимы, где работа двигателя происходит только со свободным турбонагнетателем, при выключенной камере сгорания.

На рис. кроме областей рабочих режимов показаны также характеристики расхода топлива. Т. е. в данном случае показана универсальная характеристика двигателя (удельный расход топлива ge). Анализ характеристики показывает, что максимальная экономичность достигается на режимах работы дизеля лишь с системой турбонаддува. В области повышенных крутящих моментов, особенно при пониженных скоростных режимах, удельный расход топлива существенно возрастает.

Можно отметить, что если провести характеристику минимальных расходов топлива, то она хорошо совпадёт с винтовой характеристикой дизеля. Т. е. такая система наддува может быть наиболее приемлема (по понятиям экономичности) для силовой установки судового назначения. И действительно, одно из первых применений такой системы относится к корабельной установке. Например, силовая установка французского корвета. От двигателя такого назначения требуется не только обеспечение установившихся режимов (т. е. работа по винтовой характеристике с повышенной экономичностью), но и режимов быстрого разгона, т. е. приёмистости, как и для автомобильного двигателя. Для такой силовой установки важен также режим приёма нагрузки при пониженной частоте вращения, т. е. после пуска и перед началом разгона. Величина принимаемой нагрузки в этом случае определяетсяне винтовой характеристикой установившегося режима, а швартовной характеристикой, т. е. многократно превышает нагрузку установившегося режима. Т. е. необходимы высокие крутящие моменты при пониженной частоте вращения. Характер изменения крутящего момента приведён на рис. 8.17. Видно, что двигатель с такой характеристикой будет обладать высокой приспособляемостью и приёмистостью.

Рис. 8.17. Сравнение характеристик крутящего момента дизеля без наддува (1) и с наддувом при использовании системы Гипербар (8).

Недостатком двигателя с такой системой наддува является повышенный расход топлива, которое тратится дополнительно в камере сгорания, причём даже тогда, когда камера отключена, но в ней горит запальное пламя.

По сравнению с дизелем с газотурбинным наддувом дизель с системой “Гипербар” имеет расход топлива на 20 – 30 г/кВтч более высокий.

Нам важно ваше мнение! Был ли полезен опубликованный материал? Да | Нет

Способы наддува двигателя

В современном автомобилестроении наддув двигателей выполняется различными способами, для реализации которых применяют основанные на разных принципах действия нагнетатели и турбокомпрессоры. Исторически сложилось так, что термин «нагнетатель» применяется, в основном, к устройствам сжатия воздуха, имеющим механический привод от коленчатого вала двигателя.

Наддув двигателя с помощью нагнетателей, имеющих механический привод от коленчатого вала, известен с 30-х годов. В настоящее время наиболее известны конструкции механических нагнетателей Roots, Sprintex (со спиральными лопастями), Zoller, Wankel. Справедливости ради следует сказать, что нагнетатели фирмы Wankel и Zoller (шиберные или пластинчатые) так и не вышли из стадии опытной разработки.

Более сложным технологически в изготовлении является нагнетатель серии G, получивший свое название из-за формы спиралей, напоминающей эту букву. Идея такого нагнетателя была известна еще в начале XX века, но впервые была реализована фирмой Volkswagen в 1985 г. Нагнетателем G40 фирма VW оснащала двигатели автомобилей Polo вплоть до 1994 г. При рабочем объеме двигателя 1,3л применение наддува позволило получить мощность 83,2 кВт (113 л.с.). С 1988 г. фирма комплектовала некоторые двигатели автомобилей Corrado и Passat нагнетателем повышенной производительности G60, в результате чего при рабочем объеме двигателя 1,8 л он развивал мощность 117,8 кВт (160 л.с.). Цифра в маркировке нагнетателей серии G означает ширину их спиралей. При частоте вращения ротора 10200 1/мин нагнетатель серии G способен создать избыточное давление до 0,72 бар. При параметрах нагнетателя, обеспечивающих наибольшее значение максимального крутящего момента, заслонка перепускного трубопровода во время работы бензинового двигателя на номинальной мощности должна приоткрываться, чтобы избежать переобеднения смеси.

Читать еще:  Шевроле ланос не работает вентилятор охлаждения двигателя что делать

Общий существенный недостаток, присущий всем нагнетателям с механическим приводом от KB, — это необходимость затрат на их привод части мощности, развиваемой двигателем. По этой причине при одинаковом давлении наддува двигатель с нагнетателем несколько проигрывает в экономичности двигателю с турбокомпрессором.

Главные преимущества нагнетателей с механическим приводом от KB заключаются в том, что при воздействии на педаль акселератора их производительность практически мгновенно изменяется. Это позволяет обеспечивать быструю ответную реакцию двигателя на изменение нагрузки и его высокую приёмистость. Кроме того, двигатель с таким нагнетателем характеризуется более крутой кривой зависимости мощности от частоты вращения KB и отличается достаточно большим крутящим моментом при пониженной частоте вращения.

Именно благодаря названным преимуществам эти нагнетатели достаточно широко применяются при тюнинге двигателей автомобилей, к динамическим качествам которых предъявляются повышенные требования. Последнее наглядно продемонстрировано на международной автомобильной выставке во Франкфурте в сентябре 1999г., где представили свою продукцию три десятка европейских тюнинговых фирм. Так фирма Lorinser показала автомобили Mercedes с V-образными 8-цилиндровыми бензиновыми двигателями, оборудованными системой впрыскивания с измерителем массового расхода воздуха и нагнетателем с механическим приводом. Благодаря наддуву мощность базового двигателя Е430 была увеличена на 24% и составила 255,4 кВт (347 л.с.). Максимальный крутящий момент возрос на 27,5% и достиг значения 510 Нм. Форсирование аналогичным способом базового двигателя Е 50 AMG позволило увеличить мощность и максимальный крутящий момент примерно на 17%, в результате чего эти показатели достигли значений соответственно 305,4 кВт (415 л.с.) и 620 Нм.

В нагнетателях, названных выше, сжатие воздуха и вытеснение его во впускной коллектор двигателя происходит благодаря уменьшению объема полости, заключенной между рабочими элементами нагнетателя. То есть имеет место механическое сжатие свежего заряда (отсюда, вероятнее всего, и возник термин «механический» нагнетатель). В волновом нагнетателе Comprex фирмы Asea-Brown-Boweri объем аксиально расположенных полостей в роторе не изменяется. По конструкции ротор, имеющий механический привод от KB, напоминает барабан револьвера. При вращении ротора торец полости с заполнившим ее свежим воздухом подходит к отверстию, через которое в эту полость начинают поступать отработавшие газы. В результате взаимодействия горячих ОГ с холодным воздухом образуется волна давления. Фронт этой волны сжимает воздух и при подходе торца полости к отверстию впускного коллектора происходит вытеснение воздуха в коллектор. Так как ротор продолжает вращаться, то торец полости ротора уходит от отверстия впускного коллектора, и ОГ не успевают проникнуть туда вслед за сжатым воздухом. Выпуск ОГ происходит уже в отверстие выпускного трубопровода, после чего в полости ротора создается разрежение, способствующее наполнению полости свежим воздухом при перемещении торца ротора к отверстию впускного трубопровода. Далее этот процесс при вращении ротора повторяется в каждой его полости. Волновой нагнетатель уже достаточно хорошо себя зарекомендовал и успешно применяется некоторыми автомобильными фирмами. В частности, японская фирма Mazda использует его на одном из своих серийных двигателей.

Сравнение приёмистости механического и волнового нагнетателей показывает, что оба они достаточно быстро реагируют на изменение положения педали акселератора, обеспечивая требуемое давление наддува за считанные доли секунды. Тем не менее, механический нагнетатель делает это несколько быстрее.

Реакция турбокомпрессора (ТК) на изменение положения педали акселератора более замедленная. Для примера можно привести такие цифры: с момента изменения положения педали в режиме холостого хода давление наддува в 1,5 бар механический нагнетатель обеспечивает примерно за 0,25 с, волновой нагнетатель — за 0,80 с, а ТК — за 2,15 с. Такая низкая приёмистость объясняется отсутствием механической связи ротора ТК с коленчатым вала двигателя. Замедленная реакция срабатывания ТК на изменение частоты вращения KB наглядно представлена на рис. 4.2.1.

Рис. 4.2.1. Изменение параметров рабочего процесса дизельного двигателя 8ЧН13/14 при пуске из холодного состояния при температуре окружающей среды +20 °С: — абсолютное давление наддува; — частота вращения ротора ТК; — коэффициент избытка воздуха; — частота вращения KB; — максимальное давление сгорания; — давление конца сжатия

На рис. 4.2.1 отсчет времени дан с момента достижения ВМТ поршнем в индицируемом цилиндре. Как видно из рисунка, в течение первых 0,6. 0,7 с при возрастающей частоте вращения KB давление во впускном коллекторе уменьшается, несмотря на повышение значения . Некоторое увеличение при этом коэффициента избытка воздуха является следствием уменьшения цикловой подачи топлива, обеспечиваемой регулятором частоты вращения КВ. Монотонное увеличение давления наддува pka начинает проявляться лишь по достижении ротором ТК значения nk =. 8500 1/мин. На значительную инерционность ротора ТК указывает и то, что после выключения регулятором цикловой подачи топлива при достижении коленчатым валом частоты вращения 1200 1/мин и последующем отсутствии вспышек в цилиндрах двигателя в течение примерно 0,6 с частота вращения ротора ТК продолжает возрастать. Но даже при 1/мин давление наддува остается все еще ниже атмосферного давления. Это обстоятельство косвенно указывает на то, что при частичных нагрузках энергии отработавших газов недостаточно, чтобы обеспечить давление наддува, необходимое для создания повышенного крутящего момента.

Причины плохой приёмистости ТК обусловлены принципом его действия. В турбокомпрессоре с одного конца ротора жестко закреплено турбинное колесо, а с другого конца — компрессорное колесо. Протекающие через лопатки турбинного колеса горячие отработавшие газы приводят ротор во вращение, благодаря чему компрессорное колесо вращается с такой же скоростью и производит сжатие и подачу в двигатель необходимого ему воздуха. Обеспечив таким образом подачу в цилиндры большего количества воздуха, можно увеличить и количество подаваемого топлива, повышая за счет этого агрегатную мощность двигателя. При этом на привод ТК не требуется отбирать от двигателя часть его мощности, как это имеет место в случае применения нагнетателей с механическим приводом. В данном случае ТК для сжатия свежего заряда использует часть энергии отработавших газов, которая в двигателях без наддува безвозвратно теряется. Благодаря этому у двигателя с турбонаддувом эффективный КПД и экономичность несколько выше, чем у двигателя без наддува или с нагнетателем, имеющим механический привод. Однако по приёмистости двигатель с турбонаддувом из-за инерционности ТК уступает как двигателю без наддува, так и двигателю с нагнетателем, имеющим механический привод.

Турбокомпрессоры для автомобильных двигателей имеют относительно небольшие габаритные размеры и незначительную массу. Чем меньше габариты ТК, тем большую частоту вращения может иметь ротор (нередко она превышает значение 100 000 1/мин). Наиболее известными в мире изготовителями ТК для легковых автомобилей считаются немецкая фирма ККК (Kuhnle, Kopp и Kausch), специализирующиеся по турбонаддуву американская фирма Garrett и японская фирма IHI. Названные фирмы в программе поставок имеют ТК различных типоразмеров практически для любого диапазона мощности.

На практике для правильного выбора ТК, предназначенного для наддува автомобильного двигателя сравнительно небольшой мощности, необходимо знать следующие параметры двигателя:

· максимальную частоту вращения KB;

· внешнюю скоростную характеристику по мощности.

голоса
Рейтинг статьи
Ссылка на основную публикацию
ВсеИнструменты
Adblock
detector