Виды наддува двигателей внутреннего сгорания. Двигатель с нагнетателем

Наддув двигателя (двс)

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.

Резонансный наддув

Настраиваемый впускной коллектор

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.

Механический наддув

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.

Механические нагнетатели

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.

Механический наддув

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.

Интеркулер

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

Турбокомпрессор

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.

VNT турбокомпрессор

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

Двухступенчатый наддув

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.

Системы наддува двигателя

С момента появления двигателя внутреннего сгорания перед конструкторами появилась задача повышения его мощности. А это возможно только одним путем – увеличением количества сгораемого топлива.

Способы повышения мощности двигателя

Для решения этой проблемы использовалось два метода, один из которых – повышение объема камер сгорания. Но в условиях постоянно ужесточающийся экологических требований к силовым агрегатам автомобилей этот метод повышения мощности сейчас практически не используется, хотя раннее он был приоритетным.

Второй метод повышения мощности сводится к принудительному увеличению количества горючей смеси. В результате этого даже на малообъемных силовых установках удается существенно повысить эксплуатационные показатели.

Если с увеличением количества подаваемого в цилиндры топлива проблем не возникает (система его подачи легко регулируется под требуемые условия), то с воздухом не все так просто. Силовая установка самостоятельно его закачивает за счет разрежения в цилиндрах и повлиять на объем закачки невозможно. А поскольку для максимально эффективного сгорания в цилиндрах должна создаваться топливовоздушная смесь с определенным соотношением, то увеличение только одного количества топлива никакого прироста мощности не дает, а наоборот – повышается расход, а мощность падает.

турбина на двс Выходом из ситуации является принудительная накачка воздуха в цилиндры, так называемый наддув двигателя. Отметим, что первые устройства, нагнетающие воздух в камеры сгорания, появились практически с момента появления самого двигателя внутреннего сгорания, но долгое время их на автотранспорте не использовали. Зато наддувы достаточно широко использовались в авиации и на кораблях.

Виды по способу создания давления

Наддув двигателя – задумка теоретически простая. Суть ее сводится к тому, что принудительная закачка позволяет существенно увеличить количество воздуха в цилиндрах по сравнению с объемом, который засасывает сам мотор, соответственно, и топлива подать можно больше. В результате удается повысить мощность силовой установки без изменения объема камер сгорания

Но это в теории все просто, на практике же возникает множество трудностей. Основная проблема сводится к определению, какая конструкция наддува является самой эффективной и надежной.

В целом разработано три типа нагнетателей, различающихся по способу нагнетания воздуха:

Roots
Lysholm (механический нагнетатель)
Центробежный (турбина)

Каждый из них имеет свои конструктивные особенности, достоинства и недостатки.

Roots

Нагнетатель типа Roots изначально был представлен в виде обычного шестеренчатого насоса (что-то схожее с масляным насосом), но со временем конструкция этого наддува сильно изменилась. В современном нагнетателе Roots шестеренки заменены на два ротора, вращающихся разнонаправлено, и установленных в корпусе. Вместо зубьев на роторах сделаны лопастные кулачки, которыми происходит зацепление роторов между собой.

Главной особенностью наддува Roots является способ нагнетания. Давление воздуха создается не в корпусе, а на выходе из него. По сути, лопасти роторов просто захватывают воздух и выталкивают его в выходной канал, ведущий к впускному коллектору.

Устройство и работа нагнетателя Roots

Но у такого нагнетателя есть несколько существенных недостатков – создаваемое им давление ограничено, при этом еще присутствует пульсация воздуха. Но если второй недостаток конструкторы смогли преодолеть (путем придания роторам и выходным каналам особой формы), то проблема ограничения создаваемого давления более серьезна – либо приходится увеличивать скорость вращения роторов, что негативно сказывается на ресурсе нагнетателя, либо создавать несколько ступеней нагнетания, из-за чего устройство становится очень сложным по конструкции.

Lysholm

Наддув двигателя типа Lysholm конструктивно схож с Roots, но у него вместо роторов используются спиралевидные шнеки (как в мясорубке). В такой конструкции создание давления происходит уже в самом нагнетателе, а не на выходе. Суть проста – воздух захватывается шнеками, сжимается в процессе транспортировки шнеками от входного канала на выходной и затем выталкивается. За счет спиралевидной формы процесс подачи воздуха идет непрерывно, поэтому никакой пульсации нет. Такой нагнетатель обеспечивает создание большего давления, чем конструкция Roots, работает бесшумно и на всех режимах мотора.

Нагнетатель типа Lysholm, другое название — винтовой.

Основным недостатком этого наддува является высокая стоимость изготовления.

Центробежный тип

Центробежные нагнетатели – самый сейчас распространенный тип устройства. Он конструктивно проще, чем первые два типа, поскольку рабочий элемент у него один – компрессионное колесо (обычная крыльчатка). Установленная в корпусе эта крыльчатка захватывает воздух входного канала и выталкивает его в выходной.

Центробежный нагнетатель с газотурбинным приводом

Особенность работы этого нагнетателя сводится к тому, что для создания требуемого давления необходимо, чтобы турбинное колесо вращалось с очень большой скоростью. А это в свою очередь сказывается на ресурсе.

Типы привода, их достоинства и недостатки

Вторая проблема – привод нагнетателя, а он может быть:

Механическим
Газотурбинным
Электрическим

В механическом приводе в действие нагнетатель приводится от коленчатого вала посредством ременной, реже – цепной, передачи. Такой тип привода хорош тем, что наддув начинает работать сразу после запуска силовой установки.

Но у него есть существенный недостаток – этот тип привода «забирает» часть мощности мотора. В результате получается замкнутый круг – нагнетатель повышает мощность, но сразу же ее и отбирает. Использоваться механический привод может со всеми типами наддувов.

Газотурбинный привод сейчас пока является самым оптимальным. В нем нагнетатель приводится в действие за счет энергии сгоревших газов. Этот тип привода используется только с центробежным наддувом. Нагнетатель с таким типом привода получил название турбонаддува.

Чтобы использовать энергию отработанных газов конструкторы, по сути, просто взяли два центробежных нагнетателя и соединили их крыльчатки одной осью. Далее один нагнетатель подсоединили к выпускному коллектору. Выхлопные газы, на выходе из цилиндров двигаются с высокой скоростью, попадают в нагнетатель и раскручивают крыльчатку (она получила название турбинное колесо). А поскольку она соединена с крыльчаткой (компрессорным колесом) второго нагнетателя, то он начинает выполнять требуемую задачу – нагнетать воздух.

Турбонаддув хорош тем, что не оказывает влияние на мощность двигателя. Но у него есть недостаток, причем существенный – на малых оборотах двигателя он из-за небольшого количества выхлопных газов не способен эффективно нагнетать воздух, он эффективен только на высоких оборотах. К тому же в турбонаддуве присутствует такой эффект как «турбояма».

Суть этого эффекта сводится к тому, что турбонаддув не обеспечивает мгновенную реакцию на действия водителя. При резком изменении режима работы двигателя, к примеру, при разгоне, на первом этапе энергии выхлопных газов недостаточно, чтобы наддув закачал требуемое количество воздуха, нужно время, чтобы в цилиндрах прошли процессы и повысилось количество отработанных газов. В результате при резком нажатии на педаль, машина «тупит» и не разгоняется, но как только наддув наберет обороты, авто начинает активно ускоряться – «выстреливает».

Есть и еще один не очень приятный эффект – «турболаг». У него суть примерно та же, что и у «турбоямы», но природа у него несколько другая. Сводится она к тому, что наддув обладает запоздалой реакцией на действия водителя. Обусловлена она тем, что нагнетателю требуется время захватить, закачать воздух и подать его в цилиндры.

Показательные графики эффектов «турбояма» и «турболаг» в зависимости от мощности

«Турбояма» появляется только в нагнетателях, работающих от энергии выхлопных газов, в устройствах же с механических приводом ее нет, поскольку производительность наддува пропорциональна оборотам двигателя. А вот «турболаг» присутствует во всех типах нагнетателей.

В современных автомобилях начинают внедрять электрические приводы наддува, но они только зарождаются. Пока их используют, как дополнительный механизм, для исключения «турбоямы» в работе турбонаддува. Не исключено что вскоре и появится разработка которая заменит привычные нам нагнетатели.

Электронагнетатель от фирмы Valeo

Для их эффективной работы необходимо более высокое напряжение, поэтому используется вторая сеть со своим аккумулятором на 48 вольт. Концерн Audi вообще планирует перевести все оборудование на повышенное напряжение – 48 вольт, так как увеличивается количество электронных систем и соответственно нагрузка на сеть автомобиля. Возможно в будущем все автопроизводители перейдут на повышенное напряжение бортовой сети.

Иные проблемы

Помимо способа нагнетания и типа привода существует еще немало вопросов, которые успешно решились или решаются конструкторами.

К ним относится:

нагрев воздуха при сжатии;
«турбояма»;
эффективная работа нагнетателя на всех режимах.

Во время нагнетания воздух сильно нагревается, что приводит к снижению его плотности, а это в свою очередь сказывается на детонационном пороге топливовоздушной смеси. Устранить эту проблему удалось путем установки интеркулера – радиатора охлаждения воздуха. Причем осуществлять охлаждение этот узел может разными способами – потоком встречного воздуха или за счет жидкостной системы охлаждения.

Варианты исполнения систем наддува

Но установка интеркулера породила другую проблему – увеличение «турболага». Из-за радиатора общая длина воздуховода от нагнетателя к впускному коллектору существенно увеличилась, а это повлияло на время нагнетания.

Проблема с «турбоямой» автопроизводителями решается по-разному. Одни снижают массу составных элементов, другие используют технологию изменяемой геометрии турбопривода. При первом варианте решения проблемы, снижение массы крыльчаток приводит к тому, что для раскручивания наддува требуется меньше энергии. Это позволяет нагнетателю раньше вступить в работу и обеспечить давление воздуха даже при незначительных оборотах двигателя.

Что касается геометрии, то за счет использования специальных крыльчаток с приводом от актуатора, установленных в корпусе турбинного колеса удается осуществлять перенаправление потока отработанных газов в зависимости от режима работы мотора.

Повышение эффективности работы нагнетателя на всех режимах работы некоторые производители решают путем установки двух, а то и трех нагнетателей. И здесь уже каждая автокомпания поступает по-разному. Одни устанавливают два турбонаддува, но разных размеров. «Малый» нагнетатель отрабатывает на небольших оборотах мотора, снижая эффект «турбоямы», а при увеличении оборотов в работу включается «большой» наддув. Другие же автопроизводители применяют комбинированную схему, в которой за малые обороты «отвечает» нагнетатель с механическим приводом, что вовсе устраняет «турбояму», а на высоких оборотах задействуется уже турбонаддув.

Напоследок отметим, что выше указаны только одни из основных проблем, связанных с принудительной подачей воздуха в цилиндры, в действительности их больше. К ним можно отнести передув и помпаж.

Увеличение мощности нагнетателем, по сути, ограничено только одним фактором — прочнотью составных элементов силовой установки. То есть, мощностные характеристики можно увеличивать только до определенного уровня, превышение которого приведет к разрушению узлов мотора. Это превышение и называется передувом. Чтобы он не произошел, система принудительного нагнетания воздуха оснащается клапанами и каналами, которые предотвращают раскручивание крыльчатки выше установленных оборотов, получается, что производительность наддува имеет граничную отметку. Дополнительно при достижении определенных условий ЭБУ системы питания корректирует количество подаваемого в цилиндры топлива.

Помпаж можно охарактеризовать как «обратное движение воздуха». Возникает эффект при резком переходе с высоких оборотов на низкие. В итоге, нагненататель уже накачал воздух в большом количестве, но из-за снижения оборотов он становиться невостребованным, поэтому он начинает возвращаться к наддуву, что может стать причиной его поломки.

Клапан blow-off

Проблема помпажа решена использованием обходных каналов (байпас), по которым сжатый не расходованный воздух перекачивается на входной канал перед нагнетателем, тем самым он смягчает, но не устраняет, нагрузки при помпаже. Второй системой которая полностью решает проблему помпажа, является установка перепускного клапана или blow-off, который при необходимости сбрасывает воздух в атмосферу.

Установка нагнетателей воздуха на силовые установки пока является самым оптимальным способом повышения мощности.

autoleek.ru

Что такое нагнетатель воздуха?

Двигатель внутреннего сгорания – это очень старое изобретение. Однако практически сразу инженеры стали придумывать как бы увеличить коэффициент полезного действия двигателя не слишком вмешиваясь в его устройство. На этом моменте и был изобретен нагнетатель воздуха. Принцип работы двигателя основан на том, что при впуске в цилиндры двигателя поступает смесь топлива и кислорода, которая сгорает, образуя расширяющиеся газы. Однако для качественного и эффективного сгорания топлива необходимо определенное количество кислорода. Со временем было рассчитано, что оптимальным соотношением кислорода и топлива является соотношение 1:14,7. Нагнетатель воздуха позволяет увеличить мощность двигателя в два раза.

Автомобильные нагнетатели

То есть, говоря простым русским языком, если к давлению в одну атмосферу добавить еще одну атмосферу, то выйдет в два раз больше поступающего в цилиндры кислорода. К примеру, обычный двигатель 1.5 литра при давлении компрессора равному немного более атмосферы повысит мощность до уровня 3-х литрового двигателя без компрессора. И это ни разу не конечная остановка: можно расточить картер и головку блока цилиндров до большего объема, что означает больше поступающего кислорода и еще больше мощности. Однако обычно нагнетателя ставят на малообъемные двигатели, чтобы увеличить мощность на маленьком двигателе. Основными типами нагнетателей являются:

Центробежные
Roots
Винтовые

Далее предложен разбор каждого конкретного типа.

Немного исторических сведений

Использовать нагнетатель воздуха в своих разработках первыминачали;Alfa Romeo Mercedes и Fiat.Вообще же идея применять механический компрессор была придумана и разработана практически сразу же после изобретения самого ДВС уже в 1885 г ученый Готтлиб Даймлер оформил патент на свой нагнетатель воздуха. Внешне его идея немного отличалась от нашего понимая сути нагнетателей: он предлагал, что некий насос или специальный вентилятор будет нагнетать в двигатель большую нежели, обычно порцию кислорода. Вскоре, всего через 7 лет, в 1902 году Луис Рено получил свой патент на конструкцию центробежного нагнетателя. Рено даже сделали выпуск малой серией автомобиля с нагнетателем, однако в дальнейшем проект забросили. Альфред Бюхи так же в 1905 году придумал свой турбонагнетатель, который работал с использованием выхлопных газов. Известные roots носят фамилию своих изобретателей изобрели их еще аж 1859 году братья Рутс. Из себя рутс представляют роторно-шестерёнчатые компрессоры. Винтовой компрессор был изобретен значительно позже, в 1936 году, патент принадлежит Альфу Лисхольму, главному инженеру SRM. У всех этих устройств есть один общий момент, в свое время, а это почти 100 лет назад, они не получили должного распространения ввиду заторможенности общего технического процесса. Зато ныне компрессор – это важная составляющая современного автомобиля.

Центробежный нагнетатель

Центробежный механический компрессор сейчас имеет широчайшее распространение среди любителей тюнинговать свои авто. Конструкционно центробежный нагнетатель воздуха наиболее близок к турбо наддуву, так как принципы их конструкции очень близки. Основной принцип работы заключается в следующем. Внутри корпуса установлена крыльчатка самая главная деталь компрессора. Говоря в общем крыльчатка представляет собой колесо с лопастями, отдаленно напоминающее корабельный винт. Оттого насколько хорошо и правильно выполнено это колесо зависит то, насколько нагнетатель воздуха будет результативен. В общем, воздух попадает внутрь “улитки” и его захватывают лопасти крыльчатки. Захваченный воздух лопасти закручивают и с помощью центробежной силы отбрасывают его на отдаленные участки корпуса, где есть диффузор, который ловит этот воздух. Диффузор предназначен для восприятия подаваемого крыльчаткой воздух так, чтобы созданное давление не терялось. Далее воздух подается в кольцевидный тоннель, который идет вокруг всего корпуса. Именно из-за этого тоннеля центробежный нагнетатель воздуха и называют улиткой. Подобная конструкция создает условия для увеличения давления воздуха. Суть в том, что воздух, который движется по каналу движется быстро и имеет маленькое давление, а потом конец канала резко расширяется. Благодаря этому скорость воздуха несколько падает, а вот давление значительно увеличивается.

По факту давление, что создает этот компрессор равно скорости крыльчатки, умноженной на саму себя. Скорости могут быть разными, преимущественно от 40 000 об/мин. Сам механизм довольно шумный, так как в действие он приводится ремнем от шкива коленчатого вала автомобиля. Некоторые производители устанавливают в корпусе еще и повышающую передачу, что позволяет сохранить ресурс турбины до 80 000 км и существенно уменьшить шум, что создает компрессор при работе.

Компрессор типа Roots

Нагнетатель воздуха типа рутс – это представитель класса объемных нагнетателей. В плане своего устройства такой механический компрессор очень прост и больше всего напоминает обычный масляный шестеренчатый насос. Корпус имеет овальную форму. Внутри него установлены оси, на которых вращаются в противоположные стороны два ротора. Между роторами и корпусом поддерживается специальный зазор. Этот нагнетатель воздуха отличается от всех остальных тем, что сжатие воздуха происходит не в корпусе, а во внешнем трубопроводе. Из-за этого рутсы часто называют “механический компрессор с внешним сжатием”. За счет вращения роторов воздух захватывается и сквозь маленькие зазоры между корпусом и ротором выдавливается в трубопровод под давлением. Однако хоть такая система и имеет поклонников она же и главный минус. Так как нагнетатель воздуха осуществляет сжатие вне своего корпуса он может это осуществлять только до определённых значений, после которых воздух начинает просачиваться в обратную сторону. Исправить этот момент можно увеличением скорости ротора, но это тоже возможно только в определенных пределах. Механический компрессор типа рутс имеет еще один минус: при просачивании воздуха в трубопровод не под давлением создается турбулентность, благодаря которой воздух нагревается еще больше. Так как температура воздуха и так растет из-за того, что он сжимается, а тут температура еще выше поднимается. Положительными моментами можно назвать заметно меньший шум от работы по сравнению с “улиткой”; и отсутствие характерного им свиста: рутс имеют свою особую тональность. Однако из-за роторного принципа работы наддув сопровождается пульсацией давления. С пульсацией инженерам удалось справиться достаточно быстро – роторам придали спиралевидную форму, а форму входного и выходного отверстия изменили на треугольную. С помощью таких ухищрений удалось добиться равномерной и тихой работы. Еще одним большим плюсом является то, что такой нагнетатель воздуха проявляет свою эффективность уже на малых оборотах коленчатого вала, в отличие от центробежного, что очень положительно влияет на динамику разгона автомобиля.

Винтовой нагнетатель воздуха

Механический компрессор для автомобиля такого типа имеет удивительную схожесть ни с чем иным как с мясорубкой, разница только лишь в том, что шнеков два. По форме и основному принципу винтовые напоминают “рутс”, но имеют основное различие – сжатие воздуха происходит внутри корпуса. Два ротора имеют взаимодополняющие выступы и отверстия, они вращаются всегда в зацеплении, но с небольшим зазором между друг другом. Винты загребают воздух, который сжимается между роторами и подаётся дальше под действием вращательного движения винтов. Потери при таком сжатии чрезвычайно малы, а степень сжатия очень велика. Однако при достижении слишком больших оборотов роторов может возникнуть необходимость внешнего охлаждение корпуса. Зато при стандартных показателях скорости вращения эффект от прироста мощности появляется при любых оборотах коленчатого вала автомобиля. Также плюсами можно назвать компактность конструкции при высокой мощности, долговечность и отсутствие шума при работе. Этот механический компрессор имеет достаточно плюсов, должен иметь и минус винтовые нагнетатели мало распространены из-за своей дороговизны. Производить их очень сложно, поэтому и цена является высокой. Однако некоторые тюнинг ателье устанавливают на автомобили именно винтовой компрессор.

Итоги о нагнетателях

Когда речь зайдёт об установке нагнетателя для автомобиля от очень многих можно услышать, что компрессор существенно уменьшит ресурс двигателя. Это не совсем правда.

Требуется соблюдать меру и понимать, когда компрессор благоприятно влияет на двигатель автомобиля, а когда нет. Слишком высокие обороты могут действительно привести к поломке двигателя, а вот на применение нагнетателя на низких оборотах для повышения крутящего момента наоборот только положительно повлияет на ресурс.

Однако если нагнетатель будет использоваться для получения большой мощности заранее необходимо заменить многие детали на более прочные, чтобы не винить компрессор в поломке двигателя.

Двигатель с наддувом - устройство и принцип действия

Подходит к концу «железный» XX век. Наш любимец автомобиль был свидетелем и участником событий этого столетия, совершенствовался и трансформировался вместе с представлениями человека о массовом транспортном средстве. И в преддверии магической цифры 2000 есть смысл поговорить о важнейших технических принципах и решениях, применяемых в конструкции автомобиля, вспомнить об их истории и заглянуть в будущее. Применение наддува для воздухоснабжения двигателей внутреннего сгорания — одна из таких тем. Помимо исторического аспекта, разговор о наддуве имеет и чисто практический смысл — ведь машин, снабженных подобными устройствами, становится все больше и на наших дорогах.

Устройство и принцип работы роторно-шестирёнчатого компрессора типа Roots

НАДДУВ КАК ЛЕКАРСТВО ОТ ВЯЛОСТИ

О том как работает поршневой двигатель внутреннего сгорания, знали еше в прошлом веке. Смесь воздуха и топлива после сжатия в цилиндре воспламеняется, при сгорании расширяется, толкая поршень и совершая полезную работу, и потом в виде отработавших газов вылетает в выхлопную трубу.

Как только на дорогах мира появились тарахтящие безлошадные экипажи с поршневыми моторами, началась борьба конструкторов за повышение мощности двигателей. Экстенсивный метод — сжечь в цилиндрах больше топлива, увеличивая рабочий объем, — повлек за собой появление десяти- и двенадцатилитровых многоцилиндровых монстров. А мысли о том. как интенсифицировать рабочие процессы и снять с двигателя больше лошадиных сил, привели мотористов к идее наддува.

Дело в том, что количество топлива, которое может сгореть в цилиндрах двигателя, жестко связано с объемом воздуха, засасываемого мотором внутрь при впуске. Соотношение масс — примерно 1 кг топлива на 15 кг воздуха — приходилось выдерживать очень строго, поскольку переобогащенная смесь приводила, наоборот, к падению мощности.

Как преодолеть это ограничение? Идея лежит на поверхности: подать в цилиндры больше воздуха, нагнетая его иод избыточным давлением!

Сначала появились приводные, или, иначе говоря, механические нагнетатели (superchargers) — роторного, винтового, поршневого, спирального типов, приводимые во вращение механической передачей от коленчатого вала двигателя. С подобными устройствами экспериментировал еще Готлиб Даймлер — его первые опыты с наддувом относятся к 1885 году — и, голом позже, Рудольф Дизель. Но орешек оказался крепким — и при реализации довольно простой идеи конструкторам пришлось столкнуться с массой технических трудностей.

Как это часто бывает, первыми механический наддув применили военные — на авиационных моторах, чтобы компенсировать ухудшение наполнения цилиндров при высотных полетах. И только после первой мировой войны полученный опыт позволил оснастить приводными нагнетателями бензиновые двигатели сначала гоночных, а потом спортивных и туристических автомобилей. За океаном в 20-х голах компрессорами занимались фирмы Duesenberg. Auburn и Cord, а среди «европейцев» лидировали Bentley. Lancia, Alfa Romeo, Fiat, Bugaiti и, конечно же, Daimler-Benz — спортивные «компрессорные» SS и SSK с отключаемым приводом роторного нагнетателя типа Roots стали мечтой любого коллекционера. Семилитровый шестицилиндровый мотор гоночного родстера SSKL конца 20-х годов с механическим наддувом развивал 300 л. е.! Кстати, эти машины конструировал сам Фердинанд Порше, бывший в ту пору в Штуттгарте техническим директором.

Идея наддува оказалась весьма плодотворной. Увеличиваем давление воздуха на 30% — получаем адекватный рост мощности двигателя. Прибавляем до 50% — снимаем еще больше «лошадей». И так до тех пор, пока... не развалится мотор — ведь сжатие теперь начинается не при атмосферном давлении внутри цилиндров, а при избыточном, и реальная компрессия при работающем нагнетателе будет выше. При этом растет не только мощность, но и тепловая и механическая нагрузка на детали двигателя. И, конечно, рост давления наддува бензиновых моторов сдерживает детонационная стойкость топлива — если компрессия будет слишком большой, то процесс сгорания смеси примет характер взрыва, со всеми вытекающими детонационными «прелестями»...

Mercedes-Benz SSK—детище доктора Порше. Выставленные напоказ выхлопные патрубки — непременный атрибут «компрессорных» автомобилей — можно было заказать и на «атмосферный» двигатель

Компрессор Roots монтировался перед 7-литровой «шестеркой», а его корпус и коллектор были снабжены ребрами —для лучшего охлаждения

Наиболее распространенная в наши дни схема газообмена с турбонаддувом и перепускным клапаном

У механических нагнетателей есть два основных достоинства. Во-первых, это практически безынерционная реакция на изменение подачи топлива и, во-вторых, широкий диапазон оборотов двигателя, при которых такой наддув эффективен. Современные приводные компрессоры славятся тем, что работают с самых «низов», практически с холостых оборотов, поднимая крутящий момент там, где его нехватка ощущается сильнее всего.

Но есть и недостатки. Сравнительная «высокооборотность» приводных нагнетателей (до 20000 об/мин и более) порождает технологические трудности в изготовлении, а довольно большие размеры приводят к компоновочным проблемам: внутри современных моторных отсеков ведь яблоку негде упасть...

А самый главный минус такой схемы в том, что энергия для работы нагнетателя отбирается от коленчатого вала, отнимая пусть небольшую, но все же заметную, около 10%, долю крутящего момента. Конечно, это компенсируется ростом давления наддува, но все же...

ЭНЕРГИЯ ИЗ НИОТКУДА

Приводные компрессоры тех лет были очень сложными и малонадежными. Например, нагнетатель того самого легендарного MercedesBenz SSK.L должен был подключаться только на высоких оборотах (порядка 4000 об/мин) и больших скоростях и только на 20 секунд — чтобы оторваться от соперника или завершить обгон. При этом компрессор издавал душераздирающий визг: его роторы вращались вчетверо быстрее коленчатого вала, быстро сокращая ресурс двигателя и свой собственный. Недаром сэр Бентли, чьи машины были тогда основными соперниками творений Порше на гонках, нагнетатели недолюбливал, но их против его воли ставили на 4,5-литровые моторы по заказам гонщиков.

Таков характер изменения крутящего момента и удельного расхода топлива двигателя ВАЗ-2106 с турбонагнетателем НАМИ (1 — штатный двигатель, 2 — мощностный вариант настройки турбокомпрессора, 3 — экономичный вариант)

Этого недостатка лишен газотурбинный или просто турбонаддув. Его питают энергией выхлопные газы двигателя, которые обычно попросту вылетают в трубу, унося с собой и рассеивая в атмосфере чуть меньше половины всей энергии сгорания топлива.

В отличие от приводных нагнетателей, конструкции которых сильно рознятся в зависимости от типа, все турбокомпрессоры работают по одному принципу и имеют схожее устройство. К выходному фланцу выпускного коллектора мотора вместо приемной трубы крепится корпус турбины — литая «улитка», внутри которой под действием потока выхлопных газов вращается турбинное колесо. Момент передается на соосное колесо компрессора, которое вращается в своей «улитке», засасывая поступающий через фильтр воздух и подавая его под давлением в карбюратор или во впускной коллектор. При этом улучшается наполнение цилиндров и повышается мощность двигателя.

Столь же простая, сколь и гениальная, идея турбонаддува оказалась чрезвычайно сложной в реализации. Температура выхлопных газов, которую должна выдерживать турбина — 900—950 °С, а рабочие обороты турбокомпрессора исчисляются десятками и даже сотнями тысяч оборотов в минуту! Газотурбинным наддувом занимались еще в начале века — швейцарский инженер Альфред Бюхи ставил свои первые опыты до первой мировой войны. Как и приводные компрессоры, турбонаддув сначала появился на авиационных двигателях. Например, француз профессор Рато в 1919 году оснастил мотор аэроплана Breguet турбокомпрессором и промежуточным охладителем (!) — и «наддутый» аэроплан немедленно побил рекорд высоты, прорвавшись за десятикилометровый рубеж

Но основным препятствием широкому применению турбонаддува вплоть до 60-х годов оставалось отсутствие недорогой технологии высокоточного литья из жаропрочных материалов.

Первым серийным автомобилем с бензиновым двигателем, оснащенным турбонадяувом, стал печально знаменитый заднемоторный Chevrolet Corvair — тот самый, «опасный на любой скорости». Оппозитная «шестерка» воздушного охлаждения, которая в безнаддувном варианте отдавала со своих 2300 «кубиков» 95 л. е., в турбоверсии на спайдере Corvair Monza 1961 года развивала 140, а позже 180 л. е.!

Но избыточная поворачиваемость, которая поначалу была свойственна этому неординарному «американцу», погубила Corvair — после нашумевшей книги адвоката Ральфа Найдера «Unsafe at any speed» спрос на машину резко упал, и даже последующие модернизации не смогли реабилитировать Corvair в глазах консервативных янки. Тень дурной славы пала и на ни в чем не повинный турбонаддув...

Ротор турбокомпрессора: вверху — новенький, внизу — загубленный некачественной смазкой

Упорный и осевой подшипники из свинцовистой бронзы, жизнь которых безвременно оборвалась из-за разгильдяйства хозяев...

Моментные кривые трех двигателей Volkswagen: «атмосферного» 1,8-литрового, 1,5-литрового 16клапанного и 1,3-литрового с турбонаддувом (turbo) и механическим нагнетателем (kompr.)

Различия в задержке отклика на увеличение подачи топлива (обороты двигателя — 2300 об/мин, IV передача). Турбокомпрессор «думает» на секунду дольше, чем приводной нагнетатель!

Следующее появление турбокомпрессора на легковых машинах произошло только спустя десятилетие в матушке Европе — 1600 резвых BMW 2002 turbo, выпущенных фирмой с 1973 по 1974 год, особой погоды не сделали, но показали путь другим. Эру массовых турбомоторов огкрыли автомобили Porsche (911 turbo, 1974 год) и SAAB 99 turbo, 1978). Ну а после 980 гола технологические преграды рухнули, и турбоверсии появились в модельном ряду почти у всех ведущих производителей.

На дизельных моторах турбонаддув обосновался раньше, но не на легковых, а на тяжелых транспортных — судовых, танковых, грузовых... Дело в том, что адаптировать турбоагрегат под дизельный двигатель проще, чем под бензиновый: в дизелях энергия выхлопных газов на малых оборотах больше. И турбине работать проще — температура выхлопных газов дизеля не поднимается выше 650—700"С. Инициатором массового применения турбодизелей на гражданских грузовиках выступила в 1958 году фирма DAF. А на легковых автомобилях турбодизели стали появляться только в начале 80-х годов, когда между ведущими автопроизводителями уже вовсю шла ожесточенная топливными кризисами и протестами «зеленых» борьба за снижение расхода топлива и загрязнения воздуха.

ЧТО СКРЫТО в «УЛИТКАХ»

Как уже упоминалось, несмотря на простоту идеи, турбокомпрессор очень сложен в проектировании и изготовлении. А для легкового автомобиля — в особенности.

Поскольку требования компактности удорожают процесс литья деталей. Именно поэтому за изготовление турбокомпрессоров берутся только специализированные ирмы — Garrett (США), КК (Германия), Holset (Англия), IHI (Япония), — и автомобильным фирмам дешевле покупать агрегаты у них. Исключение составляют Mitsubishi и Nissan, которые осилили выпуск турбокомпрессоров самостоятельно и даже продают их «на сторону» (например, агрегатами Mitsubishi комплектовал свои двигатели SAAB).

Корпус турбокомпрессора и «улитку» турбины отливают из специального ковкого чугуна, обладающего высокой жаропрочностью, но, увы, способного дать трещину при резком перепаде температур — например, при попадании воды. Внутри корпуса в подшипниках скольжения из свинцовистой бронзы вращается ось, с одной стороны которой находится приваренное турбинное колесо из жаростойкого сплава, а к другому концу крепится крыльчатка компрессора — она, как и ее «улитка», не столь теплона гружена, что позволяет отливать эти детали из алюминиевых сплавов.

От осевых перемещений вал удерживает упорный подшипник, выполненный в виде широкой шайбы с прорезью. Все подшипники смазываются моторным маслом, которое поступает под давлением из системы смазки двигателя — к корпусу турбокомпрессора подходят подводящая и сливная масляные магистрали. Встречаются и агрегаты с водяным охлаждением, но редко

Вал с крыльчатками после сборки тщательно балансируется — малейший дисбаланс вызовет вибрацию ротора и неизбежно выведет турбокомпрессор из строя. Ведь рабочие обороты вала могут превышать 200000 об/мин!

Поначалу турбокомпрессорам были свойственны очень большие задержки «в отклике»: вы уже нажали на педаль газа, а мотор все ждет, ждет... Это — так называемое турбозапаздывание — turbolag. А еще — отказывались работать при малых и средних оборотах, когда невелико давление выхлопных газов («турбояма» — провал моментной характеристики двигателя до 2500—3500 об/мин). Например, турбокомпрессор на Chevrolet Corvair начинал работать только после того, как «оппозитник» раскручивался до 5000 об/мин — практически до максимальных оборотов. С этим боролись, уменьшая массу и момент инерции ротора. При этом возрастало давление наддува в зоне малых оборотов, но по мере их набора образовывались излишки, которые необходимо «стравливать», чтобы у мотора не случился «гипертонический криз».

Кривые, иллюстрирующие «тепловой удар» подшипников турбокомпрессора при остановке двигателя. Температура выхлопных газов —950 °С

Поэтому все турбокомпрессоры бензиновых, а позже и дизельных, двигателей стали снабжать регулятором давления наддува. Как правило, он срабатывает при определенном пороговом значении давления наддувочного воздуха в компрессоре — воздух давит на мембрану, преодолевая сопротивление тарированной пружины, и посредством механической тяги приоткрывает перепускной клапан в корпусе турбины, отводя часть выхлопных газов мимо турбинного колеса. Раньше встречались другие схемы регулирования — например, по давлению самих выхлопных газов. А теперь на современных моторах этим заведует электроника.

Конечно, при перепуске падает КПД афегата, но избежать этого, регулируя производительность турбокомпрессора другим способом — например, изменяя в зависимости от оборотов ротора угол воздействия потока выхлопных газов на лопатки турбины, — удается пока немногим. Турбокомпрессоры с изменяемой геометрией соплового аппарата, в которых пневмомеханическим приводом регулируется угол наклона лопаток сопла, выпускают лишь Garrett и несколько других ведущих фирм.

БОЛЕЗНИ И УХОД

Агрегат турбонаддува выполнен как необслуживаемый, то есть никакого специфического ухода и регулировки он не требует и после выработки ресурса, как правило, равного или превышающего ресурс самого мотора, подлежит замене. Однако можно сформулировать несколько простых рекомендаций, которые вооружат владельца автомобиля с турбодвигателем знанием ситуаций, в которые попадать нежелательно.

Подшипники ротора — это главный узел турбокомпрессора, от которого в основном зависит работоспособность всего агрегата. И нуждаются они главным образом в обильной и высококачественной смазке. Поэтому простейший совет — регулярно, по инструкции, менять фильтр и масло в двигателе и следить за его уровнем — для хозяина турбомотора должен стать железной заповедью. Масло может быть как на синтетической, так и на минеральной основе — это не столь существенно. Вообще, при выбор» типа смазки лучше руководствоваться заводскими указаниями и ни в коем случае не смешивать масла, даже одного типа, но разных сортов. Главное — класс качества масла по API должен быть не ниже SG/CD. Именно этот индекс свидетельствует о качестве пакета присадок, которые должны быть рассчитаны на работу в напряженнейшей зоне подшипникового узла турбокомпрессора, где и условия трения, и температура масла могут достигать экстремальных значений.

Но масло не только смазывает подшипники, но и охлаждает узел, поддерживая температуру на допустимом уровне. Если условия смазки ухудшаются — например, долго не меняли масло, и отложения снизили пропускную способность магистралей, — то масло начинает застаиваться в подшипниковом узле, что увеличивает теплонапряженность, и это вызывает закоксовывание и еще большее засорение магистрали. В итоге подшипники рано или поздно остаются сухими, а за этим следует их задир и поломка всего агрегата.

Еще один узел турбокомпрессора, исправность которого отражается и на состоянии «здоровья» двигателя — газомасляные уплотнения оси ротора, обычно выполнение в виде упругих стальных колец типа поршневых. Они изолируют систему смазки от впускной и выпускной полостей турбонагнетателя, и при их износе — а это обычно следует за радиальным биением ротора или люфтом его оси — масло начинает выдавливаться в полость компрессора, попадает в цилиндры и сгорает с характерным сизым дымком. Владелец грешит на «поршневую», а дело-то в турбокомпрессоре!

Поначалу этот эффект проявляется при запуске остывшего двигателя — клуб сизого дыма из выхлопной трубы может свидетельствовать о начавшемся износе подшипникового узла и уплотнений. Но точно так же проявляется и износ, например, маслосъемных колпачков или направляющих втулок клапанов самого двигателя...

Кстати, похожую картину может вызвать... засоренный воздушных фильтр! Когда он оказывает значительное сопротивление впуску, в коллекторе, особенно на холостых оборотах в бензиновых двигателях, возникает повышенное разрежение, на которое уплотнения просто не рассчитаны.

Влияет на работоспособность турбокомпрессора и состояние самого двигателя. Например, при износе поршневых колец возникающее избыточное давление картерных газов может препятствовать сливу масла из турбоагрегата — с соответствующими последствиями. Тот же самый эффект наблюдается и при ухудшении вентиляции картера. А нарушение топливных регулировок — неисправность системы впрыска — может привести к тому, что образующийся при неполном сгорании топлива нагар будет откладываться на колесе турбины и перепускном клапане, вызывая дисбаланс ротора и мешая нормальной работе регулятора давления.

Об исправности турбонагнетателя можно судить как по динамике разгона, так и по давлению наддувочного воздуха. Как правило, все автомобили с бензиновыми турбомоторами снабжены стрелочными указателями давления наддува в комбинации приборов. На холостом ходу стрелка прибора демонстрирует разрежение во впускном коллекторе и на «прогазовки» без нагрузки реагирует слабым отклонением. А вот при разгоне, скажем, на третьей передаче с небольших оборотов хорошо видно, как после открытия дроссельной заслонки "в пол" давление наддува (и ускорение автомобиля) нарастает сначала медленно, а потом — в районе 2000—2500 об/мин на современных машинах — стрелка резко уходит вправо до упора, из-под капота доносится приглушенный свистящий звук турбины, и автомобиль мощно устремляется вперед. Кому-то этот «турбокайф» нравится, кому-то мешает прогнозировать реакцию машины на изменение подачи топлива — это дело вкуса. В конце концов, некоторые фирмы (Opel, Citroen, SAAB) предлагают самые «заряженные» версии или с «взрывными» четырехцилиндровыми турбомоторами, или с «ровными» и более тяговитыми на малых оборотах «шестерками»...

И наконец, немного «ездовых» рекомендаций. Особенных требований к прогреву турбодвигателей нет — исправная система смазки с нормальным фильтром обеспечивает мгновенную подачу масла к подшипникам нагнетателя. А вот при выключении двигателя после напряженной езды, когда мотор длительное время работал под большой нагрузкой на высоких оборотах, лучше дать ему поработать минутудругую на холостом ходу. Дело в том, что прекращение циркуляции масла после интенсивной работы вызывает «тепловой удар» — охлаждение резко прекращается, и масло в корпусе подшипников турбоагрегата нагревается до трехсот градусов, закоксовываясь и образуя отложения. А в крайнем случае — например, при остановке после долгой пробуксовки в грязи, когда «улитка» турбины раскаляется докрасна,— могут подклинить и даже расплавиться подшипники ротора...

Турбокомпрессор Garrett VNT25 с изменяемой геометрией соплового аппарата. С 1991 года он устанавливается на дизельный автомобиль Fiat Croma 2,5 TD

В лаборатории турбонаддува НАМИ полным ходом идет адаптация турбокомпрессора к «восьмерочному» мотору. Результаты не за горами...

А перед преодолением водных преград нужно оценить глубину брода — чугунный корпус турбины после «водных процедур» может треснуть, особенно на бензиновых моторах, где он сильнее нагрет.

«ЗА» И «ПРОТИВ» ТУРБОНАДДУВА

Начнем с минусов. Двигатель с турбонаддувом (да и с наддувом вообще) сложнее и дороже и в производстве, и в эксплуатации — ему требуется самое лучшее масло, да и менять смазку нужно почаще. До сих пор не удается избежать «турбоямы» и запаздываний, свойственных газотурбинному наддуву. Уменьшить эти явления может применение двух последовательно включенных турбокомпрессоров, «настроенных» по-разному — такая схема называется biturbo и широко применялась в автоспорте, а на легковых автомобилях ее впервые установила на одноименный автомобиль фирма Maserati. Но, увы, «битурбированный» мотор обходится еще дороже.

И, конечно, большие нагрузки испытывает сам двигатель, причем рост теплонапряженности и механических нагрузок пропорционален увеличению давления наддува (а значит, и мощности). Поэтому на серийных турбомоторах ограничивают давление до 0,3—0,8 кг/кв.см, обходясь весьма скромной по спортивным меркам форсировкой на 30—50%. Зато это позволяет, усилив детали двигателя (поршень, шатун и т. д.), сохранить ресурс мотора на «атмосферном» уровне.

Безболезненно повысить давление еще процентов на 10—20 позволяет промежуточный охладитель наддувочного воздуха (intercooler), который представляет из себя алюминиевый радиатор-теплообменник, включенный во впускной тракт между компрессором и коллектором. Он довольно эффективно снижает температуру сжатого воздуха и теплопоток через двигатель, позволяя сжечь в цилиндрах больше топлива без риска возникновения детонации. Но — опять же недешев...

Ну а плюсы турбонаддува — повышение литровой мощности, КПД двигателя, улучшение разгонной динамики, эластичности и (по сравнению с «атмосферным» мотором одинаковой мощности) топливной экономичности, — очевидны. К тому же, применение наддува позволяет уменьшить количество токсичных выбросов — СО и СН, а при промежуточном охлаждении воздуха еще и окислов азота NOx. А в последнее время появляются новые аргументы в пользу наддува.

XXI ВЕК — С НАДДУВОМ ИЛИ БЕЗ?

Начиная со второй половины 80-х годов, ведущие автомобилестроительные фирмы мира вкладывают миллионы долларов в научно-исследовательсие работы по уменьшению токсичности, снижению расхода топлива, одновременно стремясь повысить литровую мощность. Постепенно внедряя такие решения, как замена карбюратора впрыском, электронная оптимизация режимов работы, каталитическая нейтрализация, резонансный впуск и выпуск, регулируемые фазы, инженеры довели четырехтактный двигатель Отто почти до совершенства. Осталось применить на бензиновых моторах непосредственный впрыск, что и делают сейчас одними из первых Mitsubishi и Subaru. А что дальше?

Похоже, что в начале следующего столетия двигатель внутреннего сгорания все же будет преобладать над другими альтернативными силовыми установками. И, чтобы обеспечить очень жесткие нормы по токсичности, известные как Euro 3, конструкторам придется искать новые пути кардинальной модернизации поршневых моторов. И скорее всего, при этом забыть про наддув не удастся.

Один из путей — создание двигателей, реализующих циклы с внутренним охлаждением (циклы Миллера—Аткинсона) с обязательным применением наддува или механического, или комбинированного.

Второй путь — переход на... двухтактный цикл! Теоретически он может обеспечить лучшие показатели, и поэтому наследники смешных моторчиков DKW крутятся теперь на испытательных стендах Ford и Jaguar. Опять-таки вооруженные наддувом...

Третье направление — применение наряду с непосредственным впрыском различных схем наддува для обеспечения работы бензиновых двигателей на сверхобедненных смесях. Одни предлагают для этого комбинацию отключаемого приводного нагнетателя для малых оборотов и турбонаддува для средних и высоких. Ну а некоторые продолжают работать над еше одним типом агрегата наддува — волновым обменником давления

Сотргех, сочетающим достоинства всех традиционных видов нагнетателей, но исключительно сложным в разработке и производстве.

Идет совершенствование и старого доброго турбонаддува. Благодаря применению керамики и спецпластмасс снижается масса и момент инерции ротора, подшипники на газовой смазке и новые уплотнения позволят снизить потери на трение...

Так что мы стоим на пороге новых значительных изменений в конструкции двигателей — и Авторевю, несомненно. будет уделять внимание любым интересным новшествам. Жаль, что Россия в этой гонке — безнадежный аутсайдер.

Хотя наши отечественные разработки, пожалуй, могли бы составить конкуренцию «потрохам» концепт-каров именитых фирм. Приятно, что лаборатория турбонаддува НАМИ на голом энтузиазме продолжает научный поиск и практические разработки. Например, сделан и «обкатан» агрегат турбонаддува для «классических» двигателей ВАЗ, готовится турбонагнетатель для «восьмых» моторов. Позже мы о них расскажем подробнее. Кстати, тем бедолагам, кто мучается с неисправным турбонаддувом иномарок, здесь постараются помочь...

А. АЗБЕЛЬ Л. ГОЛОВАНОВ

focusello.ru

Виды наддува двигателей внутреннего сгорания / Статьи от клуба АЗЛК.нет / Статьи

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.

azlk-team.ru

Нагнетатель Википедия

Нагнетатель — механический агрегат, опционально применяемый на поршневых и роторно-поршневых двигателях внутреннего сгорания (далее — ДВС), работающий за счёт того или иного вида энергии, получаемой в процессе работы самого ДВС, и осуществляющий наддув, то есть принудительное нагнетание воздуха в ДВС с целью его всережимной форсировки или (в отдельных случаях) продувки.

Нагнетатель как элемент агрегатного наддува

Применение нагнетателя и его функции

Работа нагнетателя на двухтактном и четырёхтактном моторах

Нагнетатель может применяться на поршневых и роторно-поршневых ДВС, работающих по любому термодинамическому циклу и с любым числом тактов. Для большинства типов подобных ДВС нагнетатель является опциональным элементом конструкции, не влияющим на принципиальную возможность работы самого ДВС. Основная задача нагнетателя здесь — наддув с целью повышения мощности. Под наддувом подразумевается в первую очередь принудительное нагнетание воздуха в ДВС с давлением выше текущего уровня атмосферного, приводящее к увеличению плотности и массы воздуха в камере сгорания перед тактом рабочего хода, что, в свою очередь, согласно правилу стехиометрической горючей смеси для конкретного типа двигателя, позволяет сжечь больше топлива, а значит увеличить крутящий момент (и мощность, соответственно) на любой сравнимой с безнаддувным двигателем частоте вращения коленвала/ротора. В рамках этой задачи наддув с помощью нагнетателя есть лишь один из возможных методов форсировки и/или повышения КПД, и наличие или отсутствие нагнетателя определяется лишь целями и бюджетом разработчиков конкретного мотора. Исключением из этого правила является только некоторые типы двухтактных поршневых ДВС, где нагнетатель в первую очередь выполняет задачу по принудительной продувке цилиндров на стыке двух рабочих тактов и присутствует во впускной системе такого ДВС практически всегда.

Отсутствие нагнетателя в составе ГТД

В газотурбинных ДВС нагнетатель формально отсутствует. Компрессор, входящий в состав любого газотурбинного ДВС, является абсолютно неотъемлемым элементом конструкции, обеспечивающим принципиальную возможность работы подобного ДВС, и такой компрессор в русскоязычном инженерно-техническом лексиконе нагнетателем не называется, хотя и выполняет функцию принудительного нагнетания воздуха.

Типы нагнетателей по их энергетическому приводу

Нагнетатель работает за счёт того или иного вида энергии, получаемой с самого ДВС либо напрямую, либо опосредованно. Возможно использование энергии выхлопных газов, механической энергии вращения валов ДВС, электрической энергии. В зависимости от своего энергетического привода конструкция нагнетателя имеет свои технические особенности и своё собственное название. Нагнетатели, работающие от энергии выхлопных газов, называются турбонагнетателями, от механического привода — приводными нагнетателями. Также есть нагнетатели, работающие от электрической энергии, но для их описания устоявшийся русскоязычный термин пока отсутствует и их можно называть как электронагнетателями, так и нагнетателями с электроприводом.

Смысл терминов «нагнетатель» и «компрессор»

Важным элементом нагнетателя является воздушный компрессор, который присутствует в конструкции абсолютно любого нагнетателя, независимо от его энергетического привода. При этом контексте агрегатного наддува оба термина — и нагнетатель и компрессор — используются наравне, в том числе в составе сложносоставных слов, типа турбонагнетатель/турбокомпрессор, что у непосвящённых в тему может вызвать вопросы к смысловым оттенкам терминов. Следует понимать, что с точки зрения семантики термин «нагнетатель» подразумевает функцию всего агрегата в целом, а «компрессор» — наименование энергетической машины и главного исполнительного узла абсолютно любого нагнетателя. В русскоязычном речевом обиходе равноправное использование обоих терминов применительно к наддуву фактически допустимо, а оба слова, как в простом, так и в сложносоставном виде в данном случае могут считаться синонимами.

В теории лопастных машин термины "нагнетатель" и "компрессор" не тождественны. Обычно лопастные машины, повышающие давление потока не более, чем на 10%, относят к вентиляторам; на 20...25% - к нагнетателям; большие давления соответствуют компрессорам. В обиходе нагнетатель в сборе часто называют "турбиной", хотя в приводном нагнетателе турбина вообще отсутствует, а в газотурбинном является лишь приводом нагнетателя/компрессора.

Турбонагнетатель

Турбонагнетатель в сборе. Турбина слева, компрессор справа Простой турбонагнетатель фиксированной геометрии в разрезе

Таковым является нагнетатель, конструкция которого включает в себя миниатюрную турбину, а принцип работы основан на использовании энергии потока выхлопных газов самого мотора, на который осуществляется наддув. Выхлопные газы, воздействуя на турбину, располагающуюся в выпускной системе сразу за выпускным коллектором, раскручивают её, а она передаёт энергию вращения на компрессор. Принципиальная конструкция каждого из двух исполнительных узлов турбонагнетателя в общем и целом идентична для любой разработки, доведённой до стадии работающего агрегата, и предполагает одну одноконтурную турбину и один центробежный компрессор. При этом фактическая конструкция турбины, компрессора, вала и корпуса может быть весьма различной: так, помимо канонических простых совмещённых турбонагнетателей фиксированой геометрии на подшипниках скольжения, возможно применение турбин изменяемой геометрии, применение двойных спиральных каналов подвода газов к турбине (так называемый Twin-Scroll), применение двойных каналов выхода воздуха с компрессора, разнесение турбины и компрессора на существенное расстояние друг от друга, применение керамических роторов, установка вала на подшипниках качения. Важными (хотя и не особо декларируемыми) критериями мощности и эффективности турбонагнетателя являются наружные диаметры его турбинного и насосного колёс (что можно примерно оценить визуально по размеру корпуса), частота вращения ротора и величина турболага, присущего всем без исключения турбинам.

Турбонагнетатель всегда работает в режиме высоких температур выхлопных газов, а подшипники вала турбонагнетателя являются самой термонапряжённой деталью мотора, которая контактирует с моторным маслом, что накладывает особые требования как к технологии производства деталей, составляющих турбонагнетатель, так и к качеству масла и его ресурсу. И то и другое долгое время было одним из сдерживающих технологических факторов для какого-либо массового внедрения турбонагнетателей на бензиновых моторах .

Любой бензиновый мотор с турбонагнетателем изначально проектируется под наддув. Применение турбонагнетателя на бензиновом моторе, изначально спроектированном как , без переделок в принципе возможно, но приведёт к быстрому (если не моментальному) разрушению такого мотора при работе. Необходимость постоянного контроля детонации требует наличия некоей управляющей электроники, что обычно подразумевает систему питания мотора на основе электронного (или как минимум электронно-механического) впрыска. Массовые карбюраторные моторы с турбонагнетателями были крайне редки ввиду чрезмерной механической сложности своих систем питания. Широкое применение турбонагнетатели получили на дизельных моторах коммерческого транспорта — на моторах грузовиков, тракторов, локомотивов, судов. Здесь разрешающими факторами стали повышенная детонационная стойкость дизельных моторов и их более высокий КПД, предполагающий меньший уровень теплового излучения, относительная нетребовательность к эффективности работы мотора коммерческого транспорта в переходных режимах, достаточное пространство моторного отсека.

Особенностью работы турбонагнетателя в сравнении с другими агрегатами наддува является то, что в случае его применения эффект от наддува всегда превышает энергетические затраты на наддув. То есть, для любого мотора, оснащённого турбонагнетателем, всегда возможно получить такой режим наддува, который форсирует мотор настолько, что разрушит его. Мощность любого мотора с турбонагнетателем в 100% случаев ограничивается прочностью самого мотора, его моторесурсом, а не эффективностью турбонагнетателя. Необходимость ограничения эффекта наддува есть причина того, что турбонагнетатель никогда не применяется на моторах сам по себе, а только комплексно в составе системы турбонаддува, в которой он является основным её элементом, но не единственным.

Приводной нагнетатель

Объёмный приводной нагнетатель Roots Объёмный приводной нагнететель PowerPlus на основе шиберного пластинчатого насоса

Таковым является нагнетатель, конструкция которого состоит из компрессора и некоего механического привода, посредством которого, в свою очередь, и обеспечивается работа нагнетателя за счёт использования мощности, получаемой с мотора, на который осуществляется наддув. Единого общего вида у приводного нагнетателя нет. Исходя из принципов работы своего компрессора приводные нагнетатели могут быть объёмные, то есть осуществляющие наддув импульсно порциями некоего фиксированного объёма, и динамические, то есть осуществляющие наддув непрерывным потоком. В группу объёмных нагнетателей попадают такие конструкции как: кулачковые (американские Roots, Eaton), винтовые (американский Lisholm, немецкий Mercedes 2000-х годов), спиральные (немецкий G-Lader, применявшийся на Volkswagen 1990-х), шиберные (британский нагнетатель PowerPlus для довоенных MG и Rolls-Royce Merlin). Динамические приводные нагнетатели известны только центробежного типа, известных собственных названий они обычно не имеют, а их конструкция более-менее универсальна и в общем и целом схожа с конструкцией некоего канонического центробежного компрессора. В обоих случаях, независимо от типа компрессора, конструкция его механического привода не имеет принципиального значения для работы нагнетателя в целом, с теми лишь особенностями, что привод компрессора имеет повышающее передаточное отношение (порядка 0,15-0,08), а иные конструкции привода позволяют включать/отключать нагнетатель (в том числе по аналоговому принципу) по команде водителя или блока управления. Сами приводы возможны промежуточными валами, шестернями, зубчатыми ремнями, цепями, набором трапецеидальных ремней, а также прямые приводы с торцов коленчатого или распределительного валов. В случаях отключаемого привода используются муфты различной конструкции.

Особенностью работы приводного нагнетателя в сравнении с другими агрегатами наддува является то, что на его привод мотор вынужден расходовать существенную часть своей так называемой индикаторной мощности. Это приводит к тому, что все моторы с приводными нагнетателями имеют высокий удельный расход топлива, который может в разы превышать удельный расход топлива безнаддувного мотора сравнимой нетто-мощности. На высоких оборотах мотора затраты мощности на привод нагнетателя растут нелинейно относительно роста отдачи от его применения, что ещё более увеличивает значения удельного расхода топлива, а сама разница между индикаторной мощностью и нетто-мощностью на максимальных режимах может достигать значения в 50% от нетто.

Ввиду относительно низкого уровня термонапряжённости при работе, приводные нагнетатели относительно нетребовательны к технологии металлов и качеству смазки, и работоспособный надёжный агрегат наддува на основе приводного нагнетателя был доступен к производству практически одновременно с появлением массовых автомобилей. Однако ввиду требований к точности производства деталей приводные нагнетатели были в любом случае дороги, и их применение в первой половине XX-го века ограничивалось эксклюзивными, псевдоспортивными или гоночными автомобилями. Второй областью применения приводных нагнетателей были поршневые авиамоторы, в которых наддув был призван компенсировать понижение атмосферного давления на высоте и связанное с этим разрежение воздуха. После 2МВ авиация перешла на турбореактивные двигатели, а конструкторы автомобильных моторов пошли по пути безнаддувной форсировки, в результате чего приводные нагнетатели оказались почти забыты, и их уделом остался лишь американский тюнинг или некоторые американские и редкие европейские модели дорожных машин. В начале 2000-х приводные нагнетатели стали появляться на относительно недешёвых дорожных машинах в составе комбинированных агрегатов наддува в паре с турбонагнетателем. Подобные системы наддува применяются до сегодняшнего момента, хотя в последние годы существует тенденция вытеснения комбинированного наддува эффективным всережимным турбонаддувом на основе турбин типа Twin-Scroll или турбин изменяемой геометрии, а также комбинированным наддувом из турбонагнетателя и электронагнетателя.

Специфика применения на автомобильных моторах

Объёмный нагнетатель Roots в работе

На бензиновых моторах серийных легковых автомобилей в случаях разработки мотора под наддув на основе приводного нагнетателя таковой нагнетатель всегда будет только объёмного типа. Обоснованием этого является то важное качество любых объёмных компрессоров, что их производительность всегда имеет линейную зависимость от частоты вращения ротора. Именно поэтому моторы с объёмными нагнетателями удобны для водителя: они работают в переходных режимах не хуже безнаддувных (у них отсутствует какая-либо задержка в раскрутке мотора при нажатии на педаль газа) и увеличивают крутящий момент во всём диапазоне оборотов, что на моторе с объёмным нагнетателем особенно ощутимо на «низах». Также у объёмных нагнетателей есть то конструктивное преимущество, что их применение не требует каких-либо дополнительных управляющих элементов и системах (клапанах сброса давления, электронных блоков управления, дополнительных датчиков), что в периоды отсутствия электронных систем впрыска позволяло легко устанавливать объёмные приводные нагнетатели на карбюраторные моторы или моторы с механическим впрыском. В современных системах комбинированного наддува в случае применения объёмных приводных нагнетателей, таковые отвечают за наддув на низких оборотах мотора и выводятся из работы управляющими системами по достижению достаточного давления наддува параллельно работающего турбонагнетателя.

Центробежный приводной нагнетатель ATI ProCharger

Центробежные нагнетатели также могут применяться на бензиновых моторах легковых автомобилей. Но ввиду того, что в любых центробежных компрессорах зависимость объёма перекачиваемого вохдуха от числа оборотов не является линейной, приводные нагнетатели на их основе делаются либо кратковременно подключаемыми (наподобие машин американского тюнинга), либо устанавливаются на моторы, для которых эффективность работы в переходных режимах и эффективность работы на «низах» не сильно важна (например, машины для гонок на дистанцию в четверть мили). При этом установка подключаемого приводного центробежного нагнетателя на изначально безнаддувный мотор может и не требовать доработок под наддув, если время работы мотора в режиме наддува ограничено. А установка постоянно работающего приводного центробежного нагнетателя помимо доработок под наддув может потребовать наличия клапанов сброса давления (что не нужно в случае объёмных нагнетателей). В любом случае обычные серийные дорожные автомобили приводными центробежными нагнетателями не оснащаются.

И объёмные и центробежные приводные нагнетатели могут применяться не только на бензиновых моторах легковых автомобилей, но и на бензиновых и дизельных моторах тяжёлой техники. Выбор приводного нагнетателя, а не более подходящего турбонагнетателя, здесь, вероятно, объясняется спецификой эксплуатации. Примером первого случая является американский танковый бензиновый мотор Teledyne Continental AVSI-1790; примером второго — советский/российский танковый дизельный мотор В-46.

В современном массовом автомобильном моторостроении использование приводных нагнетателей сходит на нет. Главной причиной этого являются механические потери на привод, выражающиеся в повышенном расходе топлива и повышенных выбросах углекислого газа. Адекватной заменой объёмных приводных нагнетателей сегодня являются турбонагнетатели с турбинами типа Twin-Scroll и с турбинами изменяемой геометрии, а также применение нагнетателей с электроприводом в системах комбинированного наддува, что во всех случаях так или иначе помогает решать проблему турболага в переходных режимах и проблему низкой эффективности обычного турбонаддува на низких оборотах мотора.

Специфика применения на двухтактных моторах

Двухтактный мотор с воздуходувкой (2)

На отдельных типах бензиновых и дизельных двухтактных моторов (с клапанной-щелевой продувкой, со встречным движением поршней), работа которых предполагает относительно невысокие обороты, в качестве неотъемлемого элемента всей конструкции для целей продувки цилиндров на стыке двух рабочих тактов применяются приводные нагнетатели низкого давления. В советском инженерно-техническом лексиконе подобные приводные нагнетатели назывались терминами «воздуходувка» или «продувочный насос». Обеспечиваемое ими давление наддува обычно порядка 0,1-0,2 Бара. На высокооборотных моторах с щелевой продувкой (например, мотоциклетных) подобные воздуходувки/насосы не применяются, и там продувка цилиндров обеспечивается иными способами.

Известны разработки воздуходувок/насосов как на основе объёмных компрессоров, так и на основе центробежных. Пример первого варианта — советский автомобильный дизельный мотор ЯАЗ-206. Пример второго варианта — советский/российский танковый многотопливный мотор 5ТДФ. При этом свойство центробежных компрессоров увеличивать давление наддува с ростом оборотов может использоваться и для целей форсировки мотора в режиме высоких оборотов. Наличие воздуходувки/насоса не отменяет возможности дополнения подобного двухтактного мотора турбонагнетателем, задачей которого является форсировка мотора в чистом виде. Примером таких моторов с турбонаддувом и без будут конструктивно идентичные локомотивные дизели 10Д100 и 2Д100 тепловозов ТЭ10 и ТЭ3.

Электронагнетатель

Схема комбинированного наддува, состоящего из турбины, мотор-генератора, компрессора и аккумуляторной батареи. Работа наддува в режиме турбонагнетателя постоянна, в режиме турбонагнетателя и электронагнетателя — повторно-кратковременна.

Принцип работы электронагнетателя (нагнетателя с электрическим приводом) основан на использовании для привода компрессора электроэнергии из бортовой электрической сети автомобиля. Принципиальная конструкция в общем и целом едина — высокооборотный электромотор и связанный с ним общим валом центробежный компрессор.

Подобные нагнетатели получают распространение на бензиновых моторах легковых автомобилей в последние годы, ввиду широкого внедрения бортовых электросетей с относительно высоким напряжением (~50V) и включением в состав силового агрегата мощных генераторов, аккумуляторов большой ёмкости и конденсаторов. При этом электронагнетатели являются лишь частью общего агрегата наддува и комбинируются с турбонагнетателем (одним или двумя) для совместной работы в рамках функции наддува. Включение электронагнетателя здесь обычно ограничивается переходными режимами работы самого мотора, и в первую очередь такими, на которых эффективность турбонагнетателя низка, например, раскруткой мотора с оборотов холостого хода. В качестве постоянного источника наддува электронагнетатели не применяются, ввиду существенных потерь на перевод механической энергии ДВС в электрическую для питания электромотора и опять в механическую для работы компрессора.

Ссылки

wikiredia.ru

Турбокомпрессоры и нагнетатели для ДВС / личный блог FaLLkeN / smotra.ru

Системы наддува, сжимающие воздух, подаваемый в камеру сгорания двигателя, и увеличивающие массу этого воздуха, позволяют повысить мощность двигателя при данных рабочем объеме и частоте вращения коленчатого вала. Для двигателей внутреннего сгорания применяются компрессоры (нагнетатели) трех видов: нагнетатели с механическим приводом, турбокомпрессоры, приводимые в действие отработавшими газами, и нагнетатели, использующие волну сжатия газов. Нагнетатели с механическим приводом сжимают воздух, используя мощность, снимаемую с коленчатого вала двигателя (механическая муфта соединяет двигатель и нагнетатель), в то время как турбокомпрессор приводится в действие отработавшими газами. Хотя нагнетатель, использующий для своей работы волну сжатия газов, также использует отработавшие газы, он требует вспомогательного механического привода (комбинация механической и гидравлической муфт).

Нагнетатели с механическим приводомПрименяются два вида таких нагнетателей: центробежные и с принудительным приводом рабочих элементов (объемные).

Центробежный нагнетатель во многом подобен турбокомпрессору, приводимому в действие отработавшими газами. Он, очень эффективен и позволяет получать лучшее соотношение между размерами устройства и его производительностью. Однако для создания необходимого давления требуются большие окружные скорости. Так как ведомый шкив привода относительно ведущего шкива вращается с недостаточной скоростью (передаточное отношение 2:1), то для получения необходимой окружной скорости следует использовать одноступенчатую планетарную передачу с передаточным отношением 15:1. Кроме того, в схему нагнетателя должен быть включен блок трансмиссии для изменения частоты вращения, если требуется поддержание давления на приемлемом постоянном уровне в широком диапазоне значений объемного расхода. Необходимость использования предельных частот вращения и других параметров, связанных с передачей мощности в приводе, означает, что область возможного применения центробежных нагнетателей ограничена дизелями среднего и большого рабочих объемов и бензиновыми двигателями для легковых автомобилей.

Центробежный нагнетатель с механическим приводом

Объемные нагнетатели с внутренним сжатием содержат поршень, движущийся возвратно-поступательно, винт, ротор и компрессор с подвижными лопатками. Пример нагнетателя без внутреннего сжатия воздуха - нагнетатель типа Roots. Характеристики такого нагнетателя приведены на графике.Зависимость отношения давлений p2/p1 от объемного расхода V указывает, согласно графику, на то, что увеличение этого отношения сопровождается только незначительным уменьшением объемного расхода воздуха V. Падение объемного расхода в основном зависит от эффективности уплотнения зазора (потери на утечки) и является функцией отношения p2/p1 и времени, но не зависит от частоты вращения вала компрессора.Отношение давлений p2/p1 не зависит от частоты вращения. То есть высокие значения этого отношения могут быть получены и при низких объемных расходах.Объемный и массовый расходы не зависят от соотношения давлений и, в первом приближении, прямо пропорциональны частоте вращения.Производительность нагнетателя остается неизменной во всем его рабочем диапазоне. Объемный нагнетатель .работает на всех точках кривой p2/p1-V.В нагнетателе типа Roots два симметричных ротора вращаются в корпусе без непосредственного контактирования между собой или с корпусом; размер периферийного зазора определяется конструкцией корпуса, используемым материалом и производственными допусками: Внешняя шестеренчатая передача синхронизирует вращение роторов.

Нагнетатель типа Roots

Нагнетатель со скользящими лопатками имеет эксцентрично установленный ротор, воздействующий на три смонтированные по центру скользящие лопатки, которые обеспечивают сжатие воздуха. Давление сжатия при данной степени эксцентриситета ротора регулируется изменением положения кромки выходного окна А в корпусе нагнетателя.

Нагнетатель со скользящими лопатками

В нагнетателе спирального типа применяется эксцентрично установленный вытесняющий элемент, который при вращении приводного вала получает колебательное движение. При этом последовательно осуществляются следующие операции: рабочие камеры открываются, и в них поступает воздух; отсекается подача воздуха; рабочие камеры открываются снова для выпуска сжатого воздуха через центральное окно.Вытесняющий элемент нагнетателя, приводимый от ременной передачи, смазывается консистентной смазкой, а приводной вал – моторным маслом от системы смазки двигателя. Радиальное уплотнение - щелевое, а осевое уплотнение обеспечивается поперечными герметизирующими канавками.

Нагнетатель спирального типа

Роторно-поршневой нагнетатель содержит ротор в виде поршня, перемещающийся относительно внутренней оси. Внутренний ротор приводится во вращение по эксцентриковой траектории в цилиндре, где размещаются наружные роторы. Передаточные отношения вращения ротора-поршня и наружных роторов составляют 2:3 или 3:4. Роторы вращаются вокруг своих фиксированных осей без контактирования между собой или с корпусом. Вращение ротора-поршня по эксцентриковой траектории позволяет нагнетателю сжимать максимально возможный объем воздуха (камера I) и выпускать его (камера III). Степень сжатия определяется положением кромки А выпускного окна.Для синхронизации движения внутреннего ротора-поршня и наружных роторов используется шестеренчатая передача с внутренним зацеплением. Для смазки шестерен и роликовых подшипников применяется консистентная смазка. Поршневые кольца служат в качестве уплотнения между рабочей камерой и корпусом шестеренчатой передачи.Нагнетатели в ДВС обычно приводятся посредством ременной передачи (зубчатым или клиновым ремнем; используется непосредственное соединение или через муфту). Ускоряющая передача может быть включена постоянно или может обеспечивать изменение передаточного отношения в зависимости от частоты вращения коленчатого вала двигателя.Нагнетатели с принудительным приводом рабочих элементов и с механическим приводом для получения одинакового количества сжатого воздуха имеют значительно большие размеры, чем центробежные нагнетатели. Они используются на двигателях с небольшими средним рабочими объемами, где можно достичь приемлемого соотношения между объемом заряда и располагаемым под капотом пространством.

Роторо-поршневой нагнетатель

ТурбокомпрессорыТурбокомпрессоры состоят из турбины и колеса центробежного нагнетателя (компрессора), установленных на общем валу. Для вращения турбины используется энергия отработавших газов, воздействующих на ее лопатки. Вращение турбины приводит в действие компрессор, который, в свою очередь, засасывает окружающий воздух, сжимает его и подает в цилиндры двигателя. Частота вращения ротора турбокомпрессора не зависит от частоты вращения коленчатого вала двигателя, но она в значительной степени определяется балансом энергии, получаемой турбиной и отдаваемой компрессору.На рабочих характеристиках двигателей с турбокомпрессором, показанных на графике имеется строго очерченная граница между зонами устойчивой и неустойчивой работы. При правильном подборе турбокомпрессора все точки на графике, соответствующие возможным условиям работы, лежат или на рабочих кривых двигателя (полная нагрузка) либо ниже их (работа в . режиме неполной нагрузки).Различные области применения турбокомпрессоров требуют применения различных вариантов их конструкций. Однако практически все турбокомпрессоры имеют одни и те же элементы: ротор в сборе, который в сочетании с корпусом подшипника образует так называемый сердечник, а также кожух компрессора.

Регулирование давления наддува посредством переустановки перепускного клапана

Турбокомпрессор , приводимый в действие отработавшими газами

Уплотнительные кольца, устанавливаемые со стороны входа и выхода, служат для герметизации масляной камеры, расположенной вне корпуса подшипника. В особых случаях качество уплотнения может быть улучшено установкой воздухоуловителя или торцевого уплотнения с графитовыми прижимными эле¬ментами (со стороны компрессора). В основном применяются подшипники скольжения, которые установлены радиально и имеют двойные гладкие вкладыши плавающего типа или неподвижные гладкие вкладыши, в то время как для обеспечения осевой опоры используются вкладыши с клинообразной поверхностью. Подшипники турбокомпрессора смазываются моторным маслом системы смазки двигателя. Корпус подшипника не имеет дополнительных охлаждающих устройств. Поддержание температур ниже критических значений осуществляет ся применением теплового экрана и теплоизоляцией корпуса подшипника.

Жидкостное охлаждение корпусов подшипников при меняется в том случае, если температура отработавших газов превышает 850°С.

Кожух компрессора обычно изготавливается методом литья из алюминия. В кожух может быть вмонтирован ся применением теплового экрана и теплоизоляцией корпуса подшипника.

График сжатия воздуха в турбокомпрессоре

Турбина с изменяемой геометрией

Жидкостное охлаждение корпусов подшипников при меняется в том случае, если температура отработавших газов превышает 850°С.Кожух компрессора обычно изготавливается методом литья из алюминия. В кожух может быть вмонтирован перепускной воздушный клапан.Для изготовления кожухов турбин используются сплавы сортов от GGG 40 до NiResist Д5 (в зависимости от температуры отработавших газов). Турбокомпрессоры, используемые на двигателях грузовых автомобилей, содержат кожух турбины, в котором два газовых потока объединяются непосредственно перед попаданием на лопатки турбины. Эта конструкция кожуха применяется при организации получения импульсного наддува, когда давление отработавших газов дополняется их кинетической энергией.При работе турбокомпрессора с постоянным давлением на турбину поступает только энергия отработавших газов и поэтому может быть применена турбина, кожух которой имеет окно для впуска отработавших газов. Такая конструкция особенно распространена на судовых двигателях при использовании турбин с жидкостным охлаждением. Турбокомпрессоры мощных двигателей часто имеют перед турбиной кольцевое сопло. Такое сопло обеспечивает получение равномерного и неразрывного потока газа, поступающего на лопатки турбины с одновременной возможностью проведения тонкой регулировки расхода газа.Турбокомпрессоры этого типа, устанавливаемые на легковых автомобилях, обычно имеют однопоточные кожухи турбин. Если двигатель такого автомобиля работает в широком диапазоне частот вращения, то необходимы механизмы управления турбокомпрессором, поддерживающие давление наддува на относительно постоянном уровне во всем рабочем диапазоне. Обычно направляют часть отработавших газов от двигателя в обход турбины компрессора посредством управляющего механизма, выполненного в виде перепускного клапана или заслонки.Такой механизм имеет пневматический привод.Энергия отработавших газов может быть использована более эффективно при применении управляющих систем, например, турбины с изменяемой геометрией лопаток.

Такие конструкции получили наибольшее признание, т. к. они сочетают в себе широкий диапазон управляющих функций и высокий К.п.д.Установку угла расположения лопаток осуществляет поворотное регулировочное кольцо. Лопатки могут поворачиваться на требуемый угол специальными кулачками или рычагами. Пневматические исполнительные устройства могут работать как от источника отрицательного (вакуум), так и положительного давления. Микроэлектронная система управления обеспечивает оптимальное давление наддува на всем рабочем диапазоне ДВС.Нагнетатели, приводимые волновым давлением газа

Нагнетатели этого типа используют для своей работы волны давления для передачи энергии отработавших газов к воздуху на впуске. Этот энергообмен имеет место внутри секций ротора (колесо секционного типа). Ротор приводится от двигателя посредством ременной передачи для синхронизации и поддержания процесса энергообмена.

Внутри ротора процесс энергообмена происходит при скоростях, равных скорости звука. Он зависит от температуры отработавших газов и крутящего момента двигателя, но не зависит от частоты вращения коленчатого вала. Процесс эффективен только на одном рабочем режиме при условии, что между двигателем и нагнетателем установлена ускоряющая передача с постоянным передаточным отношением. Для устранения этого недостатка в передней части кожухов размещают специальные «карманы», позволяющие получить высокую производительность нагнетателя и оптимальную кривую наддува в относительно широком диапазоне рабочих режимов.Обмен энергией между газами и воздухом внутри ротора обеспечивает быстрое реагирование такого нагнетателя на изменения потребности двигателя в количестве надувочного воздуха.

В нагнетателе, приводимом в действие за счет волны давления газов, ротор связан с коленчатым валом двигателя посредством ременной передачи. Для снижения шума стенки секций ротора располагаются по его окружности неравномерно. Ротор вращается внутри цилиндрического кожуха, а магистрали для подачи наружного воздуха и отработавших газов от двигателя располагаются у соответствующих торцов кожуха. К одному торцу кожуха подводится под небольшим давлением атмосферный воздух и отводится под большим давлением надувочный воздух, а к другому торцу подводятся отработавшие газы от двигателя под большим давлением и отводятся эти же газы, но уже преобразопреобразовавшие свою энергию в давление воздуха в секциях ротора.

Диаграммы расхода газа и его состояния иллюстрируют процесс, происходящий в нагнетателе Comprex при полной нагрузке и средней частоте вращения коленчатого вала. Путем развертывания проекции ротора и кожуха на плоскость можно представить вращательное движение ротора в виде поступательного. Диаграмма состояния содержит пограничные кривые для всех 4-х окон в кожухе ротора в соответствии с местом их расположения.Ротор в нагнетателе имеет постоянную смазку, а подшипник ротора расположен со стороны подвода и отвода воздуха. Кожух для воздуха изготовлен из алюминия, а кожух для газа - из материала NiResist. Интегральный управляющий механизм позволяет регулировать давление наддува в соответствии с потребностями.

Нагнетатель, использующий волновое давление газов

Диаграмма расхода газа и диаграмма состояния нагнетателя , приводимого в действие за счет волны давления газа

smotra.ru

Виды наддува двигателей внутреннего сгорания. Двигатель с нагнетателем

Наддув двигателя (двс)

Резонансный наддув

Механический наддув

Газотурбинный наддув

Комбинированные системы

Рекомендации

Системы наддува двигателя

Способы повышения мощности двигателя

Виды по способу создания давления

Roots

Lysholm

Центробежный тип

Типы привода, их достоинства и недостатки

Иные проблемы

Что такое нагнетатель воздуха?

Немного исторических сведений

Центробежный нагнетатель

Компрессор типа Roots

Винтовой нагнетатель воздуха

Итоги о нагнетателях

Двигатель с наддувом - устройство и принцип действия

Виды наддува двигателей внутреннего сгорания / Статьи от клуба АЗЛК.нет / Статьи

Топливная экономичность

Нагнетатель Википедия

Нагнетатель как элемент агрегатного наддува

Применение нагнетателя и его функции

Отсутствие нагнетателя в составе ГТД

Типы нагнетателей по их энергетическому приводу

Смысл терминов «нагнетатель» и «компрессор»

Турбонагнетатель

Приводной нагнетатель

Специфика применения на автомобильных моторах

Специфика применения на двухтактных моторах

Электронагнетатель

Ссылки

Турбокомпрессоры и нагнетатели для ДВС / личный блог FaLLkeN / smotra.ru