Компрессор наддува двигателя: Доступ ограничен: проблема с IP

Содержание

Компрессор наддува

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

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.

Существует два вида механических нагнетателей: объемные и центробежные.

Типичными представителемя объемных нагнетателей являются нагнетатель Roots и компрессор Lysholm.

Конструкция Roots напоминает масляный шестеренчатый насос. Два ротора вращаются в противоположные стороны внутри овального корпуса. Оси роторов связаны между собой шестернями. Особенность такой конструкции в том, что воздух сжимается не в нагнетателе, а снаружи – в трубопроводе, попадая в пространство между корпусом и роторами. Основной недостаток – в ограниченном значении наддува. Как бы безупречно ни были подогнаны детали нагнетателя, при достижении определенного давления воздух начинает просачиваться назад, снижая КПД системы. Способов борьбы немного: увеличить скорость вращения роторов либо сделать нагнетатель двух- и даже трехступенчатым.

Таким образом можно повысить итоговые значения до приемлемого уровня, однако многоступенчатые конструкции лишены своего главного достоинства – компактности. Еще одним минусом является неравномерное нагнетание на выходе, ведь воздух подается порциями. В современных конструкциях применяются трехзубчатые роторы спиральной формы, а впускное и выпускное окна имеют треугольную форму. Благодаря этим ухищрениям нагнетатели объемного типа практически избавились от пульсирующего эффекта. Невысокие скорости вращения роторов, а следовательно, долговечность конструкции вкупе с низким шумом привели к тому, что ими щедро оснащают свою продукцию такие именитые бренды, как DaimlerChrysler, Ford и General Motors.

Объемные нагнетатели поднимают кривые мощности и крутящего момента, не изменяя их формы. Они эффективны уже на малых и средних оборотах, а это наилучшим образом сказывается на динамике разгона. Проблема лишь в том, что подобные системы очень прихотливы в изготовлении и установке, а значит, довольно дороги.

Еще один способ нагнетать во впускной коллектор воздух под избыточным давлением в свое время предложил инженер Лисхольм (Lysholm). Его детище окрестили винтовым нагнетателем, или «double screw» (двойной винт). Конструкция наддува Лисхольма чем-то напоминает обычную мясорубку.
Внутри корпуса установлены два взаимодополняющих винтовых насоса (шнека). Вращаясь в разные стороны, они захватывают порцию воздуха, сжимают и загоняют ее в цилиндры. Характерна такая система внутренним сжатием и минимальными потерями, благодаря точно выверенным зазорам.

Кроме того, винтовые наддувы эффективны практически во всем диапазоне оборотов двигателя, бесшумны, очень компактны, но чрезвычайно дороги из-за сложности в изготовлении. Однако ими не брезгуют такие именитые тюнинг-ателье, как AMG или Kleemann.

Центробежные нагнетатели по конструкции напоминают турбонаддув. Избыточное давление во впускном коллекторе также создает компрессорное колесо (крыльчатка). Его радиальные лопасти захватывают и отбрасывают воздух в окружной тоннель при помощи центробежной силы. Отличие от турбонаддува лишь в приводе. Центробежные нагнетатели страдают аналогичным, хотя и менее заметным инерционным пороком, но есть и еще одна важная особенность. Фактически величина производимого давления пропорциональна квадрату скорости компрессорного колеса.

Проще говоря, вращаться оно должно очень быстро, чтобы надуть в цилиндры необходимый воздушный заряд, порой в десятки раз превышая обороты двигателя. Эффективен центробежный нагнетатель на высоких оборотах. Механические «центробежники» не так капризны в обслуживании и долговечнее газодинамических собратьев, поскольку работают при менее экстремальных температурах. Неприхотливость, а следовательно, и дешевизна конструкции снискали им популярность в сфере любительского тюнинга.

Схема управления механическим нагнетателем довольно проста. При полной нагрузке заслонка перепускного трубопровода закрыта, а дроссельная открыта — весь поток воздуха поступает в двигатель. При работе с частичной нагрузкой дроссельная заслонка закрывается, а заслонка трубопровода открывается — избыток воздуха возвращается на вход нагнетателя. Входящий в схему охладитель наддувочного воздуха (Intercooler) является почти непременной составной частью не только механических, но и газотурбинных систем наддува.

При сжатии в компрессоре (либо в нагнетателе) воздух нагревается, в результате чего его плотность уменьшается. Это приводит к тому, что в рабочем объеме цилиндра воздуха, а, следовательно, и кислорода, по массе помещается меньше, чем могло бы поместиться при отсутствии нагревания. Поэтому сжатый воздух перед подачей его в цилиндры двигателя предварительно охлаждается в интеркулере. По своей конструкции это обычный радиатор, который охлаждается либо потоком набегающего воздуха, либо охлаждающей жидкостью. Понижение температуры наддувочного воздуха на 10 градусов позволяет увеличить его плотность примерно на 3%. Это, в свою очередь, позволяет увеличить мощность двигателя примерно на такой же процент.

Газотурбинный наддув

Более широко на современных автомобильных двигателях применяются турбокомпрессоры. По сути, это тот же центробежный компрессор, но с другой схемой привода. Это самое важное, можно сказать, принципиальное отличие механических нагнетателей от “турбо”. Именно схема привода в значительной мере определяет характеристики и области применения тех или иных конструкций. У турбокомпрессора крыльчатка-нагнетатель сидит на одном валу с крыльчаткой-турбиной, которая встроена в выпускной коллектор двигателя и приводится во вращение отработавшими газами. Частота вращения может превышать 200.000 об./мин. Прямой связи с коленвалом двигателя нет, и управление подачей воздуха осуществляется за счёт давления отработавших газов.

К достоинствам турбонаддува относят: повышение КПД и экономичности мотора (механический привод отбирает мощность у двигателя, этот же использует энергию отработавших газов, следовательно, КПД увеличивает). Не следует путать удельную и общую экономичность мотора. Естественно, для работы двигателя, мощность которого возросла за счет применения турбонаддува, требуется больше топлива, чем для аналогичного безнаддувного мотора меньшей мощности. Ведь наполнение цилиндров воздухом улучшают, как мы помним, для того, чтобы сжечь в них большее количество топлива. Но массовая доля топлива, приходящаяся на единицу мощности в час у двигателя, оснащенного ТК, всегда ниже, чем у схожего по конструкции силового агрегата, лишенного наддува.

Турбонаддув дает возможность достичь заданных характеристик силового агрегата при меньших габаритах и массе, чем в случае применения “атмосферного” двигателя. Кроме того, у турбодвигателя лучше экологические показатели. Наддув камеры сгорания приводит к снижению температуры и, следовательно, уменьшению образования оксидов азота. В бензиновых двигателях наддувом добиваются более полного сгорания топлива, особенно на переходных режимах работы. В дизелях дополнительная подача воздуха позволяет отодвинуть границу возникновения дымности, т. е. бороться с выбросами частиц сажи.

Дизели существенно лучше приспособлены к наддуву вообще, и к турбонаддуву в частности. В отличие от бензиновых моторов, в которых давление наддува ограничивается опасностью возникновения детонации, им такое явление неведомо. Дизель можно наддувать вплоть до достижения предельных механических нагрузок в его механизмах. К тому же отсутствие дросселирования воздуха на впуске и высокая степень сжатия обеспечивают большее давление отработавших газов и их меньшую температуру в сравнении с бензиновыми моторами. В общем, как раз то, что нужно для применения турбокомпрессора. Турбокомпрессоры более просты в изготовлении, что окупает ряд присущих им недостатков.

При низкой частоте вращения двигателя количество отработавших газов невелико, соответственно, эффективность работы компрессора невысока. Кроме того, турбонаддувный двигатель, как правило, имеет т. н. «турбояму» (по-английски “turbo-lag”) — замедленный отклик на увеличение подачи топлива. Вам нужно резко ускориться — вдавливаете педаль газа в пол, а двигатель некоторое время «думает» и лишь потом подхватывает. Объяснение простое — требуется время, пока мотор наберет обороты, увеличится давление выхлопных газов, раскрутится турбина, с ней крыльчатка нагнетателя – и наконец, “пойдет” воздух. Избавиться от указанных недостатков конструкторы пытаются разными способами. В первую очередь, снижением массы вращающихся деталей турбины и компрессора. Ротор современного турбокомпрессора настолько мал, что легко умещается на ладони.

Снижение массы достигается не только конструкцией ротора, но и выбором для него соответствующих материалов. Основная сложность при этом- высокая температура отработавших газов. Металлокерамический ротор турбины примерно на 20% легче изготовленного из жаростойких сплавов, да к тому же обладает меньшим моментом инерции. До последнего времени срок службы всего агрегата ограничивала долговечность подшипников. По сути, это были вкладыши, подобные вкладышам коленчатого вала, которые смазывались маслом под давлением. Износ таких подшипников скольжения был, конечно, велик, однако шариковые не выдерживали огромной частоты вращения и высоких температур. Выход нашли когда удалось разработать подшипники с керамическими шариками. Однако достойно удивления не применение керамики – подшипники заполнены постоянным запасом пластичной смазки, то есть канал от штатной масляной системы двигателя уже не нужен!

Избавиться от недостатков турбокомпрессора позволяет не только уменьшение инерционности ротора, но и применение дополнительных, иногда довольно сложных схем управления давлением наддува. Основные задачи при этом — уменьшение давления при высоких оборотах двигателя и повышение его при низких. Полностью решить все проблемы можно использованием турбины с изменяемой геометрией (Variable Nozzle Turbine), например, с подвижными (поворотными) лопатками , параметры которой можно менять в широких пределах.

Принцип действия VNT турбокомпрессора заключается в оптимизации потока выхлопных газов, направляемых на крыльчатку турбины. На низких оборотах двигателя и малом количестве выхлопных газов VNT турбокомпрессор направляет весь поток выхлопных газов на колесо турбины, тем самым увеличивая ее мощность и давление наддува. При высоких оборотах и высоком уровне газового потока турбокомпрессор VNT располагает подвижные лопатки в открытом положении, увеличивая площадь сечения и отводя часть выхлопных газов от крыльчатки, защищая себя от превышения оборотов и поддерживая давление наддува на необходимом двигателю уровне, исключая перенаддув.

Комбинированные системы

Помимо одиночных систем наддува сейчас часто встречается и двухступенчатый наддув. Первая ступень — приводной компрессор — обеспечивает эффективный наддув на малых оборотах ДВС, а вторая — турбонагнетатель — утилизирует энергию выхлопных газов. После достижения силовым агрегатом достаточных для нормальной работы турбины оборотов, компрессор автоматически выключается, а при их падении вновь вступает в действие.

Ряд производителей устанавливают на свои моторы сразу два турбокомпрессора. Такие системы называют «битурбо» или «твинтурбо». Принципиальной разницы в них нет, за одним лишь исключением. «Битурбо» подразумевает использование разных по диаметру, а следовательно и производительности, турбин. Причем алгоритм их включения может быть как параллельным, так и последовательным (секвентальным). На низких оборотах быстро раскручивается и вступает в работу турбонаддув маленького диаметра, на средних к нему подключается «старший брат».

Таким образом, выравнивается разгонная характеристика автомобиля. Система дорогостоящая, поэтому ее можно встретить на престижных автомобилях, например Maserati или Aston Martin. Основная задача «твинтурбо» заключается не в сглаживании «турбоямы», а в достижении максимальной производительности. При этом используются две одинаковые турбины. Устанавливаются «твин-» и «битурбо» как на V-образные блоки, так и на рядные моторы. Варианты подключения турбин также идентичны системе «битурбо». В чем же смысл? Дело в том, что производительность турбины напрямую зависит от двух ее параметров: диаметра и скорости вращения. Оба показателя весьма капризны. Увеличение диаметра приводит к повышению инерционности и, как следствие, к пресловутой «турбояме». Скорость же турбины ограничивается допустимыми нагрузками на материалы. Поэтому две скромные и менее инерционные турбины могут оказаться эффективнее одной большой.

Рекомендации

Во-первых, вовремя меняйте масло и масляный фильтр. Во-вторых, используйте только масло, предназначенное для двигателей, оборудованных турбонаддувом, которое изначально рассчитано на более высокие температуры, чем обычное. Но в дороге всякое может случиться, и если вам пришлось залить неизвестное масло, то не гоните, двигайтесь потихоньку. Двигатель это масло переживет, а вот турбонаддув — не обязательно. Приехав домой, сразу же смените масло и масляный фильтр.

И, наконец, третье, самое главное условие нормальной работы турбонаддува. В жизни турбины есть два самых ответственных момента: запуск двигателя и его остановка. При запуске холодного двигателя масло в нем имеет высокую вязкость, оно с трудом прокачивается по зазорам, еще не установились тепловые зазоры, нагрев разных деталей компрессора, а следовательно, и тепловое расширение, идут с разной скоростью. Поэтому не спешите, дайте двигателю прогреться.

Если вам надо остановиться, никогда не глушите двигатель сразу. В зависимости от режима езды дайте ему поработать на холостом ходу 2-5 минут (зимой можно дольше). За это время вал турбины снизит обороты до минимальных, а детали, непосредственно соприкасающиеся с выхлопными газами, плавно остынут. В этой ситуации значительно облегчает жизнь турбо-таймер. Он проследит за тем, чтобы разгоряченный двигатель автомобиля поработал несколько минут на холостом ходу, остужая элементы турбонаддува, даже если владелец уже покинул и закрыл своё авто. Впрочем, подобную функцию имеют и многие охранные сигнализации.


Виды наддува двигателей внутреннего сгорания

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

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 давлеие 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.


Механический нагнетатель

Механический нагнетатель – основной конструктивный элемент системы механического наддува. С помощью нагнетателя в впускном тракте создается давление выше атмосферного, а механический он потому, что привод рабочего органа осуществляется непосредственного от коленчатого вала двигателя. За рубежом механический нагнетатель называют одним словом – supercharger.

Применение механического нагнетателя обеспечивает повышение мощности (до 50%) и крутящего момента (до 30%) двигателя. Вместе с тем, механический нагнетатель отличают значительные затраты мощности двигателя на привод, которые могут достигать 30%.

Механический нагнетатель выполняет следующие взаимосвязанные функции: втягивание воздуха, сжатие воздуха и нагнетание воздуха во впускную систему. Втягивание воздуха происходит посредством созданного разряжения. Для того чтобы создать давление, нагнетатель должен вращаться быстрее чем двигатель. Нагнетание воздуха в впускной тракт осуществляется за счет разницы давлений в системе.

Воздух имеет свойство нагреваться при сжатии, при этом снижается его плотность и соответственно давление. Поэтому в системах наддува сжатый воздух охлаждается с помощью специального воздушного или жидкостного охладителя – интеркулера.

Механический нагнетатель конструктивно может иметь один из следующих приводов:

  • прямой привод (непосредственное крепление нагнетателя на фланец коленчатого вала),
  • ременной привод (различный виды ремней – клиновой, зубчатый, плоский),
  • цепной привод,
  • зубчатая передача (цилиндрический редуктор),
  • электрический привод (отдельный электродвигатель).

На современных автомобилях применяются три основных типа механических нагнетателей: кулачковый (нагнетатель Roots), винтовой (нагнетатель Lysholm) и центробежный.

Кулачковый нагнетатель

Кулачковый нагнетатель является самым старым типом механического нагнетателя, т.к. используется на автомобилях с 1900 года. Имеет другое название по имени изобретателей – нагнетатель Roots, обиходное название воздуходувка.

Современный кулачковый нагнетатель имеет два трех- или четырехкулачковых ротора, которые вращаются навстречу друг другу. Кулачки расположены по спирали на всей длине ротора. Угол закрутки кулачков обеспечивает максимальную эффективность в плане нагнетания и потерь.

По конструкции и принципу действия кулачковый нагнетатель очень похож на шестеренный масляный насос. Воздух в нагнетателе захватывается кулачками, перемещается в пространстве между кулачками и стенками корпуса, нагнетается в впускной трубопровод. Имеет место т.н. внешнее нагнетание.

Нагнетатель Roots характеризует быстрое создание необходимого давления наддува, а также рост этого давления с увеличением частоты вращения коленчатого вала. Вместе с тем в определенный момент может образоваться избыток давления, и как следствие – заторы в нагнетательном канале, снижение мощности двигателя. Поэтому при использовании механических нагнетателей всех типов осуществляется регулирование давления наддува.

Регулирование давления наддува производится двумя способами:

  1. отключением нагнетателя (например, с помощью электромагнитной муфты),
  2. перепусканием воздуха при непрерывной работе нагнетателя (с помощью перепускного клапана).

Современные системы механического наддува имеют электронное регулирование наддува, включающее входные датчики (датчик давления наддува, датчик температуры во впускном коллекторе и др.), электронный блок управления, исполнительные механизмы (электромеханический модуль привода перепускного клапана, электромагнит муфты и др.).

Нагнетатели Roots имеют достаточно высокую стоимость, обусловленную малыми допусками в изготовлении. Они предъявляют повышенные требования к чистоте подаваемого воздуха, т.к. инородный предмет в впускной системе может привести к выходу из строя нагнетателя. Необходимо отметить большой вес нагнетателя и высокий уровень шума при его работе. Производители достаточно эффективно борются с шумом. В их арсенале специальная конструкция корпуса, демпфирующие пластины и маты, резонатор, демпферы и др.

Ведущим производителем нагнетателей Roots является фирма Eaton, которая в настоящее время предлагает высокоэффективные четырехкулачковые нагнетатели TVS, Twin Vortices Series (дословно – спаренная серия вихрей). Данные нагнетатели устанавливаются на серийные двигатели автомобилей Cadillac, Toyota, Audi. На некоторых двигателях кулачковые нагнетатели используются совместно с турбонагнетателями, например двойной наддув двигателя TSI.

Винтовой нагнетатель

Винтовой нагнетатель (другое наименование по имени изобретателя – нагнетатель Lysholm) по конструкции похож на нагнетатель Roots. Нагнетатель включает два ротора-шнека специальной формы (один ротор c выступами, другой – с выемками). Роторы имеют коническую форму, при которой воздушные камеры между роторами уменьшаются в размере по длине.

Порция воздуха захватывается шнеками, перемещается и сжимается при вращении шнеков и нагнетается в впускной патрубок. В отличие от кулачковых нагнетателей винтовой нагнетатель обеспечивает внутреннее (т.е. между шнеков) нагнетание воздуха, которое более эффективно. Но цена винтовых нагнетателей значительно больше, поэтому и применяются они реже, в основном на дорогих спортивных автомобилях.

Центробежный нагнетатель

Центробежный нагнетатель в части нагнетания воздуха аналогичен турбокомпрессору. Основу нагнетателя составляет рабочее колесо (крыльчатка), которое вращается с высокой скоростью (порядка 50000-60000 об/мин).

Воздух засасывается в центральную часть колеса. Центробежная сила направляет воздух по лопастям специальной формы наружу. Из рабочего колеса он выходит на большой скорости и с низким давлением. При выходе воздух сталкивается с диффузором, имеющим множество стационарных лопаток вокруг рабочего колеса. Высокоскоростной поток воздуха низкого давления преобразуется в поток воздуха низкой скорости и высокого давления.

Центробежные нагнетатели наиболее распространены из всех механических нагнетателей. Они компактные, легкие, эффективные, имеют возможность разнообразного крепления на двигателе. В пассив центробежных нагнетателей следуют отнести зависимость производительности от скорости вращения коленчатого вала. Это качество центробежных нагнетателей предполагает использование привода с переменным передаточным отношением. Максимальное передаточное отношение привода требуется при низких оборотах двигателя, минимальное – при высоких оборотах.

Область применения механических нагнетателей достаточно широка: спортивные и серийные автомобили, а также тюнинг автомобилей. Практически все спортивные автомобили используют механические нагнетатели – это их основное применение. Установка механических нагнетателей является одним из направлений тюнинга автомобилей. Производители предлагают комплекты, включающие необходимые конструктивные элементы для установки на двигатель. На серийных автомобилях механические нагнетатели встречаются достаточно редко.

В силу своей конструкции нагнетатели Roots и Lysholm применяются для обеспечения высокой разгонной динамики, центробежные нагнетатели эффективны в поддержании высоких скоростей.


VAG Мастерская

Механический нагнетатель

Nikpo 19 июл 2012

Работа двигателя внутреннего сгорания (ДВС) построена на том, что топливо должно быть замешено с необходимым количеством окислителя, т. е. кислорода. Это обеспечит полное и эффективное сгорание горючей смеси и позволит достичь максимально возможной мощности. Больше сгорит – больше мощность.

Кислорода в воздухе по объему всего 21%, а по массе 23% (это на уровне моря, при определенных давлении и температуре). Для нормальной работы двигателя пропорции смеси топливо–воздух принимаются приблизительно 1:14,7. Если прибавить к стандартному давлению в одну атмосферу, к примеру, еще одну, то получим в 2 раза больше воздуха, а значит, и кислорода, поступающего в цилиндры. Стало быть, мы должны получить от мотора в 2 раза больше мощности. Двигатель объемом 1,5 л при давлении наддува чуть более атмосферы практически эквивалентен трехлитровому «атмосфернику». Это, конечно, грубая арифметика, но идея именно такова. И, кстати говоря, такой прирост отнюдь не предел.

Можно пойти по пути увеличения объема моторов. Больше рабочий объем цилиндра – больше топливовоздушной смеси со всеми вытекающими отсюда последствиями. Так делали американские производители. Огромные, высокообъемные моторы с неимоверным потреблением горючего, но впечатляющим крутящим моментом. В Европе, и особенно в Японии, делали маленькие, компактные и экономичные двигатели. Но мощность, тем не менее, была также востребована покупателями автомобилей. Наверное, это была одна из причин, почему именно на старом континенте появились первые разработки нагнетателей.

История

В качестве первопроходцев, разработавших автомобильные двигатели с наддувом, можно упомянуть такие компании, как Mercedes-Daimler, Fiat, Sunbeam, Alfa Romeo. Сама идея принудительного нагнетания воздуха в цилиндры была предложена вскоре после изобретения самого ДВС. Уже в 1885 г. Готтлиб Даймлер получил немецкий патент на нагнетатель. Идея заключалась в том, что некий внешний вентилятор, насос или компрессор нагнетает в двигатель увеличенный заряд воздуха. В 1902 г. во Франции Луис Рено запатентовал проект центробежного нагнетателя. Было выпущено некоторое количество автомобилей, но затем все работы в данном направлении свернули.

Принцип действия турбонагнетателя, работающего на энергии выхлопных газов, впервые описал и запатентовал швейцарский изобретатель Альфред Бюхи еще в 1905 г., но и здесь технологии того времени притормозили внедрение подобных устройств. Братья Рутс разработали объемный нагнетатель еще в 1859 г. Эти роторно-шестеренчатые компрессоры теперь так и называются – компрессоры типа «roots». На автомобилях устройства подобного типа появились в 20-е годы прошлого века благодаря компании Mercedes. Винтовой компрессор был разработан в 1936 г. Патент получил Альф Лисхолм (Alf Lysholm) – главный инженер SRM (Svenska Rotor Maskiner AB).

Тогдашний уровень развития технологий не способствовал распространению подобных устройств, но сейчас они довольно популярны. Были и другие типы нагнетателей. Со временем они естественным образом разделились на механические (с приводом от коленвала или другим способом) и турбо (с приводом от выхлопной системы). Последние, хоть и имеют общие корни и назначение, все же довольно обособленная ветвь развития нагнетателей. Далее в этой статье речь пойдет о нескольких основных типах механических нагнетателей.

Центробежный нагнетатель

Подобные нагнетатели в тюнинге получили в настоящее время наибольшее распространение. По своей конструкции они наиболее близки к турбонаддуву, поскольку имеют одинаковый принцип нагнетания воздуха. Разняться лишь способы привода. Работа осуществляется следующим образом.

Основная деталь центробежного нагнетателя – рабочее колесо, или крыльчатка. Она имеет довольно сложную конусообразную форму. Лопатки крыльчатки играют самую главную роль. От того, насколько правильно они спроектированы и изготовлены, зависит результирующая эффективность всего нагнетателя. Итак, воздух, пройдя по сужающемуся воздушному каналу в нагнетатель, попадает на радиальные лопасти крыльчатки. Лопасти закручивают и отбрасывают его центробежной силой к периферии кожуха, где имеется диффузор. Зачастую диффузор имеет лопатки (порой с регулировкой угла атаки), призванные снизить потери давления. Далее воздух выталкивается в окружной воздушный туннель (воздухосборник), который чаще всего имеет улиткообразную форму (воздухосборник, описывая окружность, постепенно расширяется в диаметре). Такая конструкция создает необходимое давление воздушного потока на выходе из нагнетателя. Дело в том, что внутри кольца воздух поначалу движется быстро, и его давление мало. Однако в конце улитки русло расширяется, скорость воздушного потока понижается, а давление увеличивается. Так создается необходимый подпор для накачки цилиндров «спрессованной атмосферой».

В силу самого принципа работы у центробежного нагнетателя есть один существенный недостаток. Для эффективной работы крыльчатка должна вращаться не просто быстро, а очень быстро. Фактически производимое центробежным компрессором давление пропорционально квадрату скорости крыльчатки. Скорости могут быть 40 тысяч об/мин и более, а для высоконапорных компрессоров дизелей они приближаются к цифре 200 тыс. об/мин. И поскольку привод осуществляется от коленвала посредством ременной передачи на шкив турбины, шум от такого устройства довольно сильный. Хотя многим именно этот характерный свист греет душу. Появились даже обманки, имитирующие звучание работающей турбины. Проблема шумности и ресурса элементов привода частично снимается введением дополнительного мультипликатора.

Здесь стоит упомянуть интересное решение компании Powerdyne. Внутри единого корпуса нагнетателя располагается дополнительная повышающая ременная передача. Она не требует обслуживания, смазки и рассчитана на пробег более 80 тыс. км. Это позволяет уменьшить передаточное число внешней, основной ременной передачи, чем снизить ее рабочие нагрузки.

Высокие рабочие обороты накладывают особые требования на качество используемых материалов и точность изготовления (учитывая огромные нагрузки от центробежных сил). К минусам самого принципа нагнетания можно также отнести некоторую задержку в срабатывании, хотя нужно отметить, что эта задержка не столь заметна, как у турбонагнетателей. И еще одно замечание. Как правило, центробежный нагнетатель дает прибавку на довольно высоких оборотах двигателя. Сначала давление нарастает медленно, но затем, с увеличением оборотов, довольно резко возрастает. Эта особенность делает центробежные нагнетатели наиболее пригодными для тех случаев, когда более важно поддержание высоких скоростей, а не интенсивность разгона.

Как было отмечено выше, центробежные нагнетатели очень популярны. Сравнительно низкая цена и, самое главное, простота установки способствовали тому, что компрессоры этого типа почти вытеснили другие, более дорогие и сложные типы. Особенно в сфере тюнинга. В настоящее время центробежные нагнетатели производятся рядом компаний. Вот лишь самые известные из них: Paxton Automotive, Powerdyne Automotive, ATI ProCharger, RK Sport, Vortech. Нагнетатели большинства производителей доступны и у нас, в России.

ROOTS

Компрессоры типа «рутс» относятся к классу объемных нагнетателей. Конструкция их довольно проста и более всего напоминает масляный шестеренчатый насос двигателя. В корпусе овальной формы вращаются в противоположные стороны два ротора, имеющие специальный профиль. Роторы насажены на оси, связанные одинаковыми шестернями. Между самими роторами и корпусом поддерживается небольшой зазор. Основное отличие этого метода нагнетания в том, что воздух сжимается не внутри, а как бы снаружи компрессора, непосредственно в нагнетательном трубопроводе. Именно поэтому их иногда называют компрессорами с внешним сжатием. Воздух как бы зачерпывается кулачками (попадая в пространство между роторами и корпусом) и выжимается в нагнетательный трубопровод.

Главным минусом такого способа нагнетания является то, что, раз процесс сжатия воздуха осуществляется вовне компрессора, его эффективная работа возможна лишь до определенных значений наддува. Как бы точно ни были выполнены детали компрессора, с ростом давления в нагнетательном трубопроводе увеличивается просачивание воздуха назад, и его КПД ощутимо снижается. Увеличивая скорость вращения роторов, можно несколько снизить утечки воздуха, но это возможно лишь до определенных пределов. Далее мощность, затрачиваемая на вращение самого нагнетателя, может превысить добавочную мощность двигателя. Чтобы повысить давление наддува, применялись конструкции с двумя и более ступенями. Они позволяли поднять итоговые значения давления в 2, 3 раза и больше. Но в силу того, что эти компрессоры теряли одно из своих главных преимуществ – компактность, такие многоярусные конструкции не прижились.

Еще один существенный недостаток. В компрессорах подобного типа при выдавливании несжатого воздуха в сжатый в нагнетательном трубопроводе создается турбулентность, способствующая росту температуры воздушного заряда. То есть, наряду с обычным ростом температуры от непосредственно повышения давления, в рутс-компрессорах происходит дополнительный нагрев. В этой связи подобные нагнетатели в обязательном порядке оснащаются интеркулерами (особое устройство для охлаждения воздуха). Шум от работы объемных компрессоров не столь сильный, как у центробежных, и имеет несколько иную тональность. Но, в отличие от последних, работа роторно-шестеренчатых нагнетателей сопровождается пульсациями давления. Происходит это по причине неравномерности подачи воздуха. Для снижения шума и амплитуды пульсаций последнее время наибольшее распространение получили трехзубчатые роторы спиральной формы. Кроме того, для тех же целей впускное и выпускное окно компрессора делают треугольным. Эти конструктивные ухищрения позволяют добиться того, что такие компрессоры работают достаточно тихо и равномерно.

В настоящее время современные технологические возможности вывели подобные компрессоры на очень высокий уровень производительности. Такие автогиганты, как DaimlerChrysler, Ford и General Motors, устанавливают на некоторые свои автомобили механические нагнетатели именно рутс-типа. Тому есть несколько причин. В первую очередь объемные нагнетатели, в отличие от центробежных, эффективны уже на малых и средних оборотах двигателя. Эта особенность рутс-компрессоров сделала их наиболее пригодными для дрегрейсинга, где ценится прежде всего именно динамика разгона.

Другой важный плюс – относительная простота конструкции. Малое количество движущихся частей и малые скорости вращения делают эти нагнетатели одними из самых надежных и долговечных. Однако сложность в изготовлении и установке, а значит, и высокая цена (относительно центробежных) несколько снизили их рыночную популярность. Если не считать перечисленных выше производителей, для вторичного рынка подобные нагнетатели производит несколько компаний. Вот некоторые из них: Jackson Racing, Kenne Bell Superchargers, Magna Charger. Отдельно стоит отметить компанию Eaton Automotive. Именно она является, что называется, локомотивом раскрутки нагнетателей рутс-типа. Кстати, это ее компрессоры и устанавливаются на двигатели Ford и GM. В России такие нагнетатели в силу дороговизны не столь популярны, но, по крайней мере, пара марок представлены и у нас.

Винтовые компрессоры или объемные нагнетатели типа Лисхольм

По имени отца-основателя эти компрессоры иногда называют объемными нагнетателями типа Лисхольм. Они несколько напоминают рутс-компрессоры с роторами спиральной формы, но более всего эта конструкция похожа на мясорубку. С одним лишь отличием: шнек не один, их два, и они особым образом входят в зацепление, имея взаимодополняющие профили. Два ротора («папа» и «мама»), захватывая поступающий воздух, начинают взаимное встречное вращение. Порция воздуха проталкивается вперед, как мясо вдоль шнека мясорубки. Роторы имеют между собой чрезвычайно малые зазоры. Это обеспечивает высокую эффективность и довольно малые потери. Основное отличие винтового компрессора от объемных роторно-шестеренчатых нагнетателей – наличие внутреннего сжатия. Это обеспечивает им высокую эффективность нагнетания практически на всей шкале оборотов двигателя. Для достижения больших значений давления может потребоваться охлаждение корпуса компрессора. Зато при стандартных, не экстремально больших давлениях наддува воздух нагревается не столь сильно, как в рутс-компрессорах.

Еще плюсы: высокая эффективность, надежность и компактная конструкция. Кроме того, винтовые компрессоры довольно тихие. Работают они почти «шепотом» (разумеется, при правильном, точном проектировании и изготовлении). Вот тут-то и кроется, возможно, единственный их минус. Дело в том, что такие компрессоры довольно сложны в производстве и, как следствие, дороги. По этой причине они практически не встречаются в массовом автомобильном производстве. По той же причине и компаний, производящих эти прогрессивные нагнетатели, не так много. Мне удалось найти из серьезных производителей лишь два бренда: Comptech Sport и Whipple Superchargers. Подобные устройства выпускают также некоторые западные тюнинговые ателье – например, Kleemann, AMG. Самое интересное то, что такие совсем недешевые нагнетатели можно найти и у нас.

Шиберные или лопастные нагнетатели

Я просто обязан упомянуть, на мой взгляд, незаслуженно забытые шиберные, или лопастные, нагнетатели. Это были довольно простые по конструкции и принципу действия машины. Представьте себе цилиндрический корпус с двумя отверстиями, как правило, растянутыми во всю длину цилиндра и находящимися на одной его стороне, т. е. не строго друг против друга. Внутри корпуса находится ротор диаметром примерно в три четверти от внутреннего диаметра корпуса. Ротор смещен к одной из сторон корпуса, примерно посредине отверстий. В роторе несколько продольных канавок, в которых находятся шиберы (лопатки). При вращении ротора благодаря заложенному конструкцией эксцентриситету и шиберам, выдвигающимся за счет центробежных сил, воздух сперва всасывается в одну из долей, образованных парой соседних лопаток, а затем сжимается до момента подхода к выпускному отверстию.

Будучи качественно изготовленными, такие компрессоры нагнетали довольно большое давление. В сравнении с рутс-компрессорами они обладали более высоким КПД, меньше пропускали воздуха, практически не нагревали его и были менее шумными. Да и мощности двигателя они отнимали меньше. Более того, при правильном конструктиве шиберный нагнетатель может быть практически на 50% более производительным, нежели рутс-компрессор. В силу своей конструкции самой большой проблемой шиберных машин были высокие фрикционные нагрузки между шиберами и корпусом. По мере износа КПД компрессора заметно падал из-за увеличения протечек воздуха. В связи с этой проблемой шиберные компрессоры делали низкооборотистыми, но довольно габаритными. Странно, но на то время это стало практически непреодолимой проблемой, и шиберные компрессоры были забыты. Правда, мне удалось найти патенты на ряд конструктивных решений, которые могут возродить шиберные насосы, и, если это произойдет, они по сумме характеристик способны не просто потеснить, но и практически монополизировать рынок компрессоров. Автомобильных в том числе.

Прочие типы

В 80-х годах прошлого столетия компания Volkswagen экспериментировала с довольно необычными спиральными нагнетателями. В автомобильном применении они более известны как G-Lader. Сейчас это направление компанией VW свернуто. Однако еще можно встретить автомобили Golf, Passat и Corrado с такими нагнетающими устройствами, и, кроме того, ряд фирм (преимущественно немецких) продолжают производить такие компрессоры. Поршневые нагнетатели, самая распространенная схема обычных воздушных компрессоров в настоящее время, в автомобилях не прижились совсем. А вот на судовых моторах они использовались достаточно широко.

Интересен метод нагнетания подпоршневым насосом. Здесь в качестве нагнетателя используется сам поршень, который при движении к НМТ (нижняя мертвая точка) выталкивает находящийся под ним воздух. Интересен тот факт, что изначально знаменитый роторный двигатель Ванкеля был спроектирован как нагнетатель. И, между прочим, некоторое время с успехом использовался в данном качестве. Существуют и так называемые осевые компрессоры. Движение воздуха в них осуществляется в осевом направлении.

Сейчас можно встретить электрические «воздуходувки», построенные по этому принципу. Один или пара последовательных либо параллельных вентиляторов с моторчиком, будучи установленными в воздушном тракте, проталкивают воздух вдоль себя назад, в фильтр или уже после него во впускной коллектор. Некоторые производители подобных изделий заявляют о 20 л. с. и более прибавки мощности. Не буду утверждать обратного, но, если эти устройства преодолевают хотя бы сопротивление фильтрующих элементов, эффект уже неплохой.

Другое интересное решение, которое фактически не является искусственным методом нагнетания воздуха, – система резонансного наддува. Идея основана на том факте, что для лучшего наполнения цилиндров необходимо обеспечить избыточное давление перед впускным клапаном непосредственно в момент его открытия. А стало быть, нужно просто «оседлать» волну сжатия, а именно так ведет себя воздух во впускном коллекторе при работе двигателя: чередование приливов и отливов. С изменением оборотов амплитуда этих колебаний меняется. И для того, чтобы «поймать» волну, нужно менять длину впускного коллектора. Поначалу пошли по довольно примитивному по смыслу, но довольно сложному по воплощению пути: несколько воздуховодов разной длины и клапана, открывающие тот или иной канал. В настоящее время эта идея нашла свое логическое воплощение в устройствах впускного коллектора переменной длины. Например, компания BMW применяет устройство, которое обеспечивает изменение длины впускного тракта. Разумеется, это не полноценная замена наддуву, но определенная выгода от этого есть. И энергии мотора на такой «нагнетатель» практически не тратится.

Выводы

Многие считают, что использование нагнетателей может негативно сказаться на ресурсе двигателя. Это и так, и не так. Во всем нужна мера. Начать с того, что, как правило, поломку мотора вызывают повышенные обороты. Стало быть, использование нагнетателя, повышающего крутящий момент на низких и средних оборотах, может, наоборот, благоприятно сказаться на ресурсе двигателя. С другой стороны, если добиваться действительно большого роста мощности, многие штатные детали придется заменить на более прочные. Так, например, кованые поршни и шатуны будут совсем нелишними. В особенности, учитывая более серьезные тепловые нагрузки в камере сгорания, проявляющиеся у наддувных моторов.

При использовании нагнетателей температура оказывает и вполне фундаментальное воздействие. Физику не обманешь. Так уж выходит, что сжатие воздуха всегда сопряжено с повышением его температуры. В некоторых компрессорах это повышение не столь существенно, но в любом случае для увеличения воздушного заряда и снижения потери мощности на привод нагнетателя (за счет снижения противодавления) воздух необходимо охлаждать.

Но еще более важна другая проблема, о которой мало кто задумывается, – детонация. Дело в том, что высокая температура и давление подаваемого в цилиндры воздуха может привести к тому, что в конце такта сжатия, когда поршень спрессует в цилиндре и так уже сжатую топливо-воздушную смесь, ее температура и давление могут оказаться настолько высокими, что это вызовет преждевременную ее детонацию, т. е. взрыв. Дабы избежать подобных проблем (а детонация может «убить» мотор довольно быстро), можно перейти на более высокооктановые сорта топлива, но чаще всего этого оказывается мало. При достаточно больших значениях давления приходится производить декомпрессию, т. е. снижать степень сжатия. Кроме того, следует внимательно подойти к регулировке угла опережения зажигания. При использовании нагнетателей рекомендуется изменить настройку по зажиганию. Правильный подбор свечей зажиганиятакже немаловажен. На самом деле при установке наддува вопросов возникает куда больше. Установка компрессора на серийный двигатель может привести к различным результатам. И даже готовые комплекты от известных фирм не могут предусмотреть всех нюансов вашего автомобиля. В любом случае установка наддува требует высокого профессионализма инсталляторов, которые могут правильно подобрать компрессор и грамотно настроить двигатель. Тогда есть уверенность в том, что результат не приведет к нежелательным последствиям.


Компрессор наддува

Работа двигателя внутреннего сгорания (ДВС) построена на том, что топливо должно быть замешено с необходимым количеством окислителя, т. е. кислорода. Это обеспечит полное и эффективное сгорание горючей смеси и позволит достичь максимально возможной мощности. Больше сгорит – больше мощность. Кислорода в воздухе по объему всего 21%, а по массе 23% (это на уровне моря, при определенных давлении и температуре). Для нормальной работы двигателя пропорции смеси топливо–воздух принимаются приблизительно 1:14,7. Если прибавить к стандартному давлению в одну атмосферу, к примеру, еще одну, то получим в 2 раза больше воздуха, а значит, и кислорода, поступающего в цилиндры. Стало быть, мы должны получить от мотора в 2 раза больше мощности. Двигатель объемом 1,5 л при давлении наддува чуть более атмосферы практически эквивалентен трехлитровому «атмосфернику». Это, конечно, грубая арифметика, но идея именно такова. И, кстати говоря, такой прирост отнюдь не предел.

Можно пойти по пути увеличения объема моторов. Больше рабочий объем цилиндра – больше топливовоздушной смеси со всеми вытекающими отсюда последствиями. Так делали американские производители. Огромные, высокообъемные моторы с неимоверным потреблением горючего, но впечатляющим крутящим моментом. В Европе, и особенно в Японии, делали маленькие, компактные и экономичные двигатели. Но мощность, тем не менее, была также востребована покупателями автомобилей. Наверное, это была одна из причин, почему именно на старом континенте появились первые разработки нагнетателей.

В качестве первопроходцев, разработавших автомобильные двигатели с наддувом, можно упомянуть такие компании, как Mercedes-Daimler, Fiat, Sunbeam, Alfa Romeo. Сама идея принудительного нагнетания воздуха в цилиндры была предложена вскоре после изобретения самого ДВС. Уже в 1885 г. Готтлиб Даймлер получил немецкий патент на нагнетатель. Идея заключалась в том, что некий внешний вентилятор, насос или компрессор нагнетает в двигатель увеличенный заряд воздуха. В 1902 г. во Франции Луис Рено запатентовал проект центробежного нагнетателя. Было выпущено некоторое количество автомобилей, но затем все работы в данном направлении свернули.

Принцип действия турбонагнетателя, работающего на энергии выхлопных газов, впервые описал и запатентовал швейцарский изобретатель Альфред Бюхи еще в 1905 г., но и здесь технологии того времени притормозили внедрение подобных устройств. Братья Рутс разработали объемный нагнетатель еще в 1859 г. Эти роторно-шестеренчатые компрессоры теперь так и называются – компрессоры типа «roots». На автомобилях устройства подобного типа появились в 20-е годы прошлого века благодаря компании Mercedes. Винтовой компрессор был разработан в 1936 г. Патент получил Альф Лисхолм (Alf Lysholm) – главный инженер SRM (Svenska Rotor Maskiner AB).

Тогдашний уровень развития технологий не способствовал распространению подобных устройств, но сейчас они довольно популярны. Были и другие типы нагнетателей. Со временем они естественным

Центробежный нагнетатель

Подобные нагнетатели в тюнинге получили в настоящее время наибольшее распространение. По своей конструкции они наиболее близки к турбонаддуву, поскольку имеют одинаковый принцип нагнетания воздуха. Разняться лишь способы привода. Работа осуществляется следующим образом.

Основная деталь центробежного нагнетателя – рабочее колесо, или крыльчатка. Она имеет довольно сложную конусообразную форму. Лопатки крыльчатки играют самую главную роль. От того, насколько правильно они спроектированы и изготовлены, зависит результирующая эффективность всего нагнетателя. Итак, воздух, пройдя по сужающемуся воздушному каналу в нагнетатель, попадает на радиальные лопасти крыльчатки. Лопасти закручивают и отбрасывают его центробежной силой к периферии кожуха, где имеется диффузор. Зачастую диффузор имеет лопатки (порой с регулировкой угла атаки), призванные снизить потери давления. Далее воздух выталкивается в окружной воздушный туннель (воздухосборник), который чаще всего имеет улиткообразную форму (воздухосборник, описывая окружность, постепенно расширяется в диаметре). Такая конструкция создает необходимое давление воздушного потока на выходе из нагнетателя. Дело в том, что внутри кольца воздух поначалу движется быстро, и его давление мало. Однако в конце улитки русло расширяется, скорость воздушного потока понижается, а давление увеличивается. Так создается необходимый подпор для накачки цилиндров «спрессованной атмосферой».

В силу самого принципа работы у центробежного нагнетателя есть один существенный недостаток. Для эффективной работы крыльчатка должна вращаться не просто быстро, а очень быстро. Фактически производимое центробежным компрессором давление пропорционально квадрату скорости крыльчатки. Скорости могут быть 40 тысяч об/мин и более, а для высоконапорных компрессоров дизелей они приближаются к цифре 200 тыс. об/мин. И поскольку привод осуществляется от коленвала посредством ременной передачи на шкив турбины, шум от такого устройства довольно сильный. Хотя многим именно этот характерный свист греет душу. Появились даже обманки, имитирующие звучание работающей турбины. Проблема шумности и ресурса элементов привода частично снимается введением дополнительного мультипликатора.

Здесь стоит упомянуть интересное решение компании Powerdyne. Внутри единого корпуса нагнетателя располагается дополнительная повышающая ременная передача. Она не требует обслуживания, смазки и рассчитана на пробег более 80 тыс. км. Это позволяет уменьшить передаточное число внешней, основной ременной передачи, чем снизить ее рабочие нагрузки.

Высокие рабочие обороты накладывают особые требования на качество используемых материалов и точность изготовления (учитывая огромные нагрузки от центробежных сил). К минусам самого принципа нагнетания можно также отнести некоторую задержку в срабатывании, хотя нужно отметить, что эта задержка не столь заметна, как у турбонагнетателей. И еще одно замечание. Как правило, центробежный нагнетатель дает прибавку на довольно высоких оборотах двигателя. Сначала давление нарастает медленно, но затем, с увеличением оборотов, довольно резко возрастает. Эта особенность делает центробежные нагнетатели наиболее пригодными для тех случаев, когда более важно поддержание высоких скоростей, а не интенсивность разгона.

Как было отмечено выше, центробежные нагнетатели очень популярны. Сравнительно низкая цена и, самое главное, простота установки способствовали тому, что компрессоры этого типа почти вытеснили другие, более дорогие и сложные типы. Особенно в сфере тюнинга. В настоящее время центробежные нагнетатели производятся рядом компаний. Вот лишь самые известные из них: Paxton Automotive, Powerdyne Automotive, ATI ProCharger, RK Sport, Vortech. Нагнетатели большинства производителей доступны и у нас, в России.

Компрессоры типа «рутс» относятся к классу объемных нагнетателей. Конструкция их довольно проста и более всего напоминает масляный шестеренчатый насос двигателя. В корпусе овальной формы вращаются в противоположные стороны два ротора, имеющие специальный профиль. Роторы насажены на оси, связанные одинаковыми шестернями. Между самими роторами и корпусом поддерживается небольшой зазор. Основное отличие этого метода нагнетания в том, что воздух сжимается не внутри, а как бы снаружи компрессора, непосредственно в нагнетательном трубопроводе. Именно поэтому их иногда называют компрессорами с внешним сжатием. Воздух как бы зачерпывается кулачками (попадая в пространство между роторами и корпусом) и выжимается в нагнетательный трубопровод.

Главным минусом такого способа нагнетания является то, что, раз процесс сжатия воздуха осуществляется вовне компрессора, его эффективная работа возможна лишь до определенных значений наддува. Как бы точно ни были выполнены детали компрессора, с ростом давления в нагнетательном трубопроводе увеличивается просачивание воздуха назад, и его КПД ощутимо снижается. Увеличивая скорость вращения роторов, можно несколько снизить утечки воздуха, но это возможно лишь до определенных пределов. Далее мощность, затрачиваемая на вращение самого нагнетателя, может превысить добавочную мощность двигателя. Чтобы повысить давление наддува, применялись конструкции с двумя и более ступенями. Они позволяли поднять итоговые значения давления в 2, 3 раза и больше. Но в силу того, что эти компрессоры теряли одно из своих главных преимуществ – компактность, такие многоярусные конструкции не прижились.

Еще один существенный недостаток. В компрессорах подобного типа при выдавливании несжатого воздуха в сжатый в нагнетательном трубопроводе создается турбулентность, способствующая росту температуры воздушного заряда. То есть, наряду с обычным ростом температуры от непосредственно повышения давления, в рутс-компрессорах происходит дополнительный нагрев. В этой связи подобные нагнетатели в обязательном порядке оснащаются интеркулерами (особое устройство для охлаждения воздуха). Шум от работы объемных компрессоров не столь сильный, как у центробежных, и имеет несколько иную тональность. Но, в отличие от последних, работа роторно-шестеренчатых нагнетателей сопровождается пульсациями давления. Происходит это по причине неравномерности подачи воздуха. Для снижения шума и амплитуды пульсаций последнее время наибольшее распространение получили трехзубчатые роторы спиральной формы. Кроме того, для тех же целей впускное и выпускное окно компрессора делают треугольным. Эти конструктивные ухищрения позволяют добиться того, что такие компрессоры работают достаточно тихо и равномерно.

В настоящее время современные технологические возможности вывели подобные компрессоры на очень высокий уровень производительности. Такие автогиганты, как DaimlerChrysler, Ford и General Motors, устанавливают на некоторые свои автомобили механические нагнетатели именно рутс-типа. Тому есть несколько причин. В первую очередь объемные нагнетатели, в отличие от центробежных, эффективны уже на малых и средних оборотах двигателя. Эта особенность рутс-компрессоров сделала их наиболее пригодными для дрегрейсинга, где ценится прежде всего именно динамика разгона.

Другой важный плюс – относительная простота конструкции. Малое количество движущихся частей и малые скорости вращения делают эти нагнетатели одними из самых надежных и долговечных. Однако сложность в изготовлении и установке, а значит, и высокая цена (относительно центробежных) несколько снизили их рыночную популярность. Если не считать перечисленных выше производителей, для вторичного рынка подобные нагнетатели производит несколько компаний. Вот некоторые из них: Jackson Racing, Kenne Bell Superchargers, Magna Charger. Отдельно стоит отметить компанию Eaton Automotive. Именно она является, что называется, локомотивом раскрутки нагнетателей рутс-типа. Кстати, это ее компрессоры и устанавливаются на двигатели Ford и GM. В России такие нагнетатели в силу дороговизны не столь популярны, но, по крайней мере, пара марок представлены и у нас.

Винтовые компрессоры или объемные нагнетатели типа Лисхольм

По имени отца-основателя эти компрессоры иногда называют объемными нагнетателями типа Лисхольм. Они несколько напоминают рутс-компрессоры с роторами спиральной формы, но более всего эта конструкция похожа на мясорубку. С одним лишь отличием: шнек не один, их два, и они особым образом входят в зацепление, имея взаимодополняющие профили. Два ротора («папа» и «мама»), захватывая поступающий воздух, начинают взаимное встречное вращение. Порция воздуха проталкивается вперед, как мясо вдоль шнека мясорубки. Роторы имеют между собой чрезвычайно малые зазоры. Это обеспечивает высокую эффективность и довольно малые потери. Основное отличие винтового компрессора от объемных роторно-шестеренчатых нагнетателей – наличие внутреннего сжатия. Это обеспечивает им высокую эффективность нагнетания практически на всей шкале оборотов двигателя. Для достижения больших значений давления может потребоваться охлаждение корпуса компрессора. Зато при стандартных, не экстремально больших давлениях наддува воздух нагревается не столь сильно, как в рутс-компрессорах.

Еще плюсы: высокая эффективность, надежность и компактная конструкция. Кроме того, винтовые компрессоры довольно тихие. Работают они почти «шепотом» (разумеется, при правильном, точном проектировании и изготовлении). Вот тут-то и кроется, возможно, единственный их минус. Дело в том, что такие компрессоры довольно сложны в производстве и, как следствие, дороги. По этой причине они практически не встречаются в массовом автомобильном производстве. По той же причине и компаний, производящих эти прогрессивные нагнетатели, не так много. Мне удалось найти из серьезных производителей лишь два бренда: Comptech Sport и Whipple Superchargers. Подобные устройства выпускают также некоторые западные тюнинговые ателье – например, Kleemann, AMG. Самое интересное то, что такие совсем недешевые нагнетатели можно найти и у нас.

Шиберные или лопастные нагнетатели

Я просто обязан упомянуть, на мой взгляд, незаслуженно забытые шиберные, или лопастные, нагнетатели. Это были довольно простые по конструкции и принципу действия машины. Представьте себе цилиндрический корпус с двумя отверстиями, как правило, растянутыми во всю длину цилиндра и находящимися на одной его стороне, т. е. не строго друг против друга. Внутри корпуса находится ротор диаметром примерно в три четверти от внутреннего диаметра корпуса. Ротор смещен к одной из сторон корпуса, примерно посредине отверстий. В роторе несколько продольных канавок, в которых находятся шиберы (лопатки). При вращении ротора благодаря заложенному конструкцией эксцентриситету и шиберам, выдвигающимся за счет центробежных сил, воздух сперва всасывается в одну из долей, образованных парой соседних лопаток, а затем сжимается до момента подхода к выпускному отверстию.

Будучи качественно изготовленными, такие компрессоры нагнетали довольно большое давление. В сравнении с рутс-компрессорами они обладали более высоким КПД, меньше пропускали воздуха, практически не нагревали его и были менее шумными. Да и мощности двигателя они отнимали меньше. Более того, при правильном конструктиве шиберный нагнетатель может быть практически на 50% более производительным, нежели рутс-компрессор. В силу своей конструкции самой большой проблемой шиберных машин были высокие фрикционные нагрузки между шиберами и корпусом. По мере износа КПД компрессора заметно падал из-за увеличения протечек воздуха. В связи с этой проблемой шиберные компрессоры делали низкооборотистыми, но довольно габаритными. Странно, но на то время это стало практически непреодолимой проблемой, и шиберные компрессоры были забыты. Правда, мне удалось найти патенты на ряд конструктивных решений, которые могут возродить шиберные насосы, и, если это произойдет, они по сумме характеристик способны не просто потеснить, но и практически монополизировать рынок компрессоров. Автомобильных в том числе.

Прочие типы

В 80-х годах прошлого столетия компания Volkswagen экспериментировала с довольно необычными спиральными нагнетателями. В автомобильном применении они более известны как G-Lader. Сейчас это направление компанией VW свернуто. Однако еще можно встретить автомобили Golf, Passat и Corrado с такими нагнетающими устройствами, и, кроме того, ряд фирм (преимущественно немецких) продолжают производить такие компрессоры. Поршневые нагнетатели, самая распространенная схема обычных воздушных компрессоров в настоящее время, в автомобилях не прижились совсем. А вот на судовых моторах они использовались достаточно широко.

Интересен метод нагнетания подпоршневым насосом. Здесь в качестве нагнетателя используется сам поршень, который при движении к НМТ (нижняя мертвая точка) выталкивает находящийся под ним воздух. Интересен тот факт, что изначально знаменитый роторный двигатель Ванкеля был спроектирован как нагнетатель. И, между прочим, некоторое время с успехом использовался в данном качестве. Существуют и так называемые осевые компрессоры. Движение воздуха в них осуществляется в осевом направлении.

Сейчас можно встретить электрические «воздуходувки», построенные по этому принципу. Один или пара последовательных либо параллельных вентиляторов с моторчиком, будучи установленными в воздушном тракте, проталкивают воздух вдоль себя назад, в фильтр или уже после него во впускной коллектор. Некоторые производители подобных изделий заявляют о 20 л. с. и более прибавки мощности. Не буду утверждать обратного, но, если эти устройства преодолевают хотя бы сопротивление фильтрующих элементов, эффект уже неплохой.

Другое интересное решение, которое фактически не является искусственным методом нагнетания воздуха, – система резонансного наддува. Идея основана на том факте, что для лучшего наполнения цилиндров необходимо обеспечить избыточное давление перед впускным клапаном непосредственно в момент его открытия. А стало быть, нужно просто «оседлать» волну сжатия, а именно так ведет себя воздух во впускном коллекторе при работе двигателя: чередование приливов и отливов. С изменением оборотов амплитуда этих колебаний меняется. И для того, чтобы «поймать» волну, нужно менять длину впускного коллектора. Поначалу пошли по довольно примитивному по смыслу, но довольно сложному по воплощению пути: несколько воздуховодов разной длины и клапана, открывающие тот или иной канал. В настоящее время эта идея нашла свое логическое воплощение в устройствах впускного коллектора переменной длины. Например, компания BMW применяет устройство, которое обеспечивает изменение длины впускного тракта. Разумеется, это не полноценная замена наддуву, но определенная выгода от этого есть. И энергии мотора на такой «нагнетатель» практически не тратится.

Многие считают, что использование нагнетателей может негативно сказаться на ресурсе двигателя. Это и так, и не так. Во всем нужна мера. Начать с того, что, как правило, поломку мотора вызывают повышенные обороты. Стало быть, использование нагнетателя, повышающего крутящий момент на низких и средних оборотах, может, наоборот, благоприятно сказаться на ресурсе двигателя. С другой стороны, если добиваться действительно большого роста мощности, многие штатные детали придется заменить на более прочные. Так, например, кованые поршни и шатуны будут совсем нелишними. В особенности, учитывая более серьезные тепловые нагрузки в камере сгорания, проявляющиеся у наддувных моторов.

При использовании нагнетателей температура оказывает и вполне фундаментальное воздействие. Физику не обманешь. Так уж выходит, что сжатие воздуха всегда сопряжено с повышением его температуры. В некоторых компрессорах это повышение не столь существенно, но в любом случае для увеличения воздушного заряда и снижения потери мощности на привод нагнетателя (за счет снижения противодавления) воздух необходимо охлаждать.

Но еще более важна другая проблема, о которой мало кто задумывается, – детонация. Дело в том, что высокая температура и давление подаваемого в цилиндры воздуха может привести к тому, что в конце такта сжатия, когда поршень спрессует в цилиндре и так уже сжатую топливо-воздушную смесь, ее температура и давление могут оказаться настолько высокими, что это вызовет преждевременную ее детонацию, т. е. взрыв. Дабы избежать подобных проблем (а детонация может «убить» мотор довольно быстро), можно перейти на более высокооктановые сорта топлива, но чаще всего этого оказывается мало. При достаточно больших значениях давления приходится производить декомпрессию, т. е. снижать степень сжатия. Кроме того, следует внимательно подойти к регулировке угла опережения зажигания. При использовании нагнетателей рекомендуется изменить настройку по зажиганию. Правильный подбор свечей зажигания также немаловажен. На самом деле при установке наддува вопросов возникает куда больше. Установка компрессора на серийный двигатель может привести к различным результатам. И даже готовые комплекты от известных фирм не могут предусмотреть всех нюансов вашего автомобиля. В любом случае установка наддува требует высокого профессионализма инсталляторов, которые могут правильно подобрать компрессор и грамотно настроить двигатель. Тогда есть уверенность в том, что результат не приведет к нежелательным последствиям.


всё о компрессорах и турбинах

Человек – существо неугомонное. После того, как появился первый автомобиль, желание ездить быстрей и быстрей не дает покоя ни конструкторам, ни автогонщикам, ни почтенным отцам многодетных семейств. Еще чуть больше скорости, чуть выше мощность, быстрей разгон – так по крупицам изобретались, тестировались и внедрялись в жизнь различные улучшения двигателей.

Как увеличить мощность двигателя? Чтобы получить больше силы на выходе, нужно дать больше энергии на входе, а значит, сжечь в двигателе больше топлива. Поскольку законы физики обойти еще никому не удалось, самым простым способом будет увеличение объема двигателя. Чем больше топлива сгорает в цилиндре, тем больше энергии высвобождается. Но этот путь вскоре завел в тупик: увеличивать объем нужно вместе с весом самого двигателя, и с определенного момента такой прирост теряет смысл: мотор становится настолько тяжелым и сложным, что вместо повышения эффективности системы ее показатели, наоборот, снижаются. Но до этого человеческий гений породил таких монстров, как 16-цилиндровые двигатели, разработанные для гоночных автомобилей.

BRM V16: 16-цилиндровый двигатель с компрессором,
угол между цилиндрами 135 градусов, объем 1,5 л,
мощность 475 л.с. при 11500 об/мин
(пиковая мощность 500-600 л.с.),
занявший 5-е место на Гран-при в Британии в 1951 г.

Если увеличивать объем двигателя можно только до определенного предела, то второй вариант – просто подать больше топлива в цилиндр. Но тут появляется другая проблема: одновременно необходимо подать и больше воздуха, чтобы сохранить оптимальное (стехиометрическое) соотношение – 14 объемных частей воздуха на 1 часть топлива, необходимое для полного сгорания. Конструкторы пришли к выводу, что при неизменном объеме цилиндра больше воздуха к топливу можно подать только с помощью искусственного наддува. Так появилась идея компрессоров и турбин, позволяющих увеличить мощность двигателя без изменения его кубатуры. Как правило, компрессорами называют устройства, работающие от коленвала двигателя, а турбинами – приводимые в движение потоком выхлопных газов. Но в обоих случаях назначение их одинаково: подача дополнительного воздуха в камеру сгорания для увеличения мощности двигателя.

 

Приводные компрессоры

 

Роторный компрессор, Roots, Рутс

Первый вариант конструкции, который и сейчас можно встретить на некоторых автомобилях. Два встречно вращающихся ротора (двух- трех- или четырехлопастных) подают воздух во впускной коллектор, нагнетая в нем давление, а из коллектора воздух под напором поступает в цилиндры двигателя.

 

Винтовой компрессор, Lysholm, Лисхольм

Принцип действия несколько отличается от роторного: в корпусе расположены два встречно вращающихся винта сложной формы, которые захватывают воздух в канавки и транспортируют его к выпуску с одновременным сжатием. Производительность винтового компрессора намного выше, чем роторного, и он не создает турбулентности воздушного потока на высоких оборотах.

Такая конструкция требует высокой точности изготовления и качественных материалов, поэтому всегда стоила намного выше, чем роторная. Можно сказать, что винтовой компрессор относится к устройствам класса «люкс».

 

И роторный, и винтовой компрессоры работают без присутствия масла (за исключением подшипников валов). Корпус и сами вращающиеся детали разделены между собой микрозазорами, и по этой же причине не нуждаются в остаточном охлаждении после остановки двигателя.

Синхронизация вращения валов выполнена с помощью шестеренчатой передачи от ведущего вала (соединенного ременным шкивом с коленвалом двигателя) к ведомому, позволяющей добиться высокой точности работы компрессора, без трения и перегрева.

 

Центробежный компрессор

В его конструкции используется только один вал, на котором закреплена крыльчатка. При вращении крыльчатка захватывает воздух из центра и отбрасывает его по периметру, откуда он поступает в напорный патрубок. Такая конструкция позволяет сделать компрессор негабаритным, легким, при этом не теряя в производительности.

 

Все приводные нагнетатели (компрессоры) объединены общими достоинствами: простота монтажа, эффективность при различной скорости оборотов, отсутствие перегрева и турболага (турбоямы) – типичной проблемы турбин.

А основной общий недостаток – привод от двигателя, в результате чего немного теряется мощность и увеличивается нагрузка на него. Но, несмотря на это, установка компрессора себя оправдывает: в среднем нагнетатель дает прирост 46% к мощности двигателя.

 

Турбонагнетатель (турбокомпрессор, турбина)

Несмотря на разнообразие конструкций приводных компрессоров, признание автолюбителей завоевали турбины – нагнетатели с турбо-приводом.

Турбина приводится в действие не от коленвала, а от потока выхлопных газов. Такая конструкция полностью устраняет нагрузку на двигатель и не требует дополнительных мощностей для работы.

Выхлопные газы, проходя в полость турбины, приводят в движение ротор, закрепленный на одном валу с крыльчаткой. А крыльчатка, в свою очередь, во время вращения накачивает воздух в систему впуска по тому же принципу, что и центробежный компрессор.

Особенностью турбины является зависимость скорости вращения не от оборотов двигателя напрямую, а от силы потока отработанных газов. С этим связано явление турбоямы или турболага – задержки реакции турбины (а следовательно, и набора мощности двигателем) при нажатии на педаль акселератора. Внешне это выглядит как секундная «задумчивость» мотора, которая затем сменяется резким скачком мощности. Конструкторы борются с турболагом различными методами, от чип-тюнинга (изменение параметров работы двигателя) до установки электромотора или баллона со сжатым воздухом для мгновенной подачи его в двигатель, пока турбина не раскрутится.

Монтаж турбины, в отличие от компрессора, связан с определенными сложностями. В связи с высокой нагрузкой (скорость вращения может достигать 300 тысяч оборотов в минуту в отличие от компрессоров, скорость которых максимум 20 тысяч оборотов в минуту) турбина требует постоянной смазки, так что ее включают в масляную магистраль и подводят моторное масло под давлением. С этим связана необходимость устанавливать турбины только в специализированном автосервисе.

 

Турбина с изменяемой геометрией, VNT

Одной из проблем турбокомпрессоров является слишком высокая скорость вращения на больших оборотах двигателя и недостаточная продуктивность на малых оборотах. Чтобы улучшить характеристики устройства, вокруг основного ротора устанавливаются дополнительные лопасти, изменяющие свое положение в ответ на команду регулирующего устройства. Поворот, увеличивающий площадь ротора, помогает сохранить высокие обороты при низком давлении выхлопных газов, а уменьшение площади ротора помогает турбине не превышать предельных оборотов, когда мотор работает на полной мощности. Это называют VNT (Variable Nozzle Turbine) или VGT-турбиной (Variable Geometry Turbocharger).

Турбина с изменяемой геометрией.
1. Ускорение вращения за счет «эффекта сопла»: на сужающемся участке напор воздушного потока возрастает.
2. Замедление вращения благодаря повороту лопастей, расширяющих канал для воздушного потока.

Существуют и другие модификации таких турбин: с выдвижными лопастями, с другим способом их крепления и т.д., но принцип действия от этого не меняется.

Управление такой турбиной осуществляется от вакуумного регулятора, электромотора или благодаря инерционному повороту самих лопастей.

 

Комбинированные системы

В разное время автоконструкторы экспериментировали с различными способами улучшения характеристик двигателя. Так появилась система двойного турбонаддува Twin Turbo или комбинированная система. Эти инженерные изыскания были направлены на устранение характерных недостатков разных видов компрессоров.

 

Двойной турбонаддув

По сути, это две турбины, установленные на двигатель по параллельной, последовательной или ступенчатой схеме. Изначально такая система предназначалась для устранения турболага, но она также помогает повысить мощность, оптимизировать режим работы двигателя и даже снизить расход топлива.

 

Параллельная система

Состоит из двух турбин с одинаковыми характеристиками, подключенных параллельно друг другу. Может устанавливаться на мощные V-образные двигатели, по одной турбине на каждый ряд цилиндров. Каждая из турбин подключается к отдельному ответвлению выпускного коллектора. Преимущество этой системы в том, что можно установить маленькие турбины, которые намного легче набирают скорость вращения, и таким образом уменьшить эффект турболага.

 

Последовательная система

Вверху: работа одной турбины на малых оборотах двигателя.
Внизу: Работа двух турбин для максимальной мощности.

Состоит из двух турбин, одна из которых работает постоянно, а вторая включается по необходимости (поток отработанных газов направляется на вторую турбину при открытии клапана на выпускном коллекторе). Воздух от обеих турбин поступает в общий впускной коллектор двигателя.

 

Двухступенчатая система

1. Две турбины работают последовательно (низкие обороты).
2. Турбины работают параллельно (средние обороты).
3. Работает только большая турбина (высокие обороты).

Достаточно сложная, но эффективная система, состоящая из двух последовательно подключенных турбин разного размера, соединенных перепускными патрубками и клапанами. На малых оборотах двигателя работает только меньшая турбина, поскольку она легче и имеет меньшую инерцию. При включении средних оборотов подключается большая, и обе турбины работают последовательно: большая подает поток воздуха на малую, от которой он поступает во впускной коллектор. При этом скорость большой турбины постепенно увеличивается, и на максимальных оборотах малая турбина отключается, чтобы не задерживать поток воздуха к мотору. Вся система регулируется датчиками и электромагнитными клапанами, открывающими или закрывающими отдельные участки системы выхлопа. С точки зрения производительности двигателя, двухступенчатая система дает максимальный эффект.

 

Комбинированный наддув, TSI

Попытки преодолеть эффект турбоямы привели к созданию концерном Volkswagen системы комбинированного наддува TSI (Turbo Stratified Injection), в которой сочетается приводной нагнетатель и турбина. Система подключена ступенчато: на низких оборотах двигателя работает только компрессор, дающий в таком режиме максимальный эффект. На средних оборотах компрессор и турбина работают вместе, а на максимальных оборотах компрессор отключается, и работает одна турбина. Такой способ наддува полностью устраняет эффект турбоямы, но оказался слишком дорогостоящим как в производстве, так и в обслуживании, и с 2011 года двигатели с комбинированным наддувом уже не производят.

 

Технические характеристики: что важно знать о турбине?

Один из важнейших технических показателей турбины это степень компрессии: способность повышать давление во впускном коллекторе и соответственно в цилиндрах двигателя. Знать этот параметр необходимо тем, кто хочет тюнинговать свой автомобиль и проводит расчеты для турбины.

Степень компрессии имеет две крайности: чем она выше, тем больше мощности можно получить от мотора (больше сжимается топливно-воздушная смесь в цилиндре и сильней отдача от ее сгорания). Но при превышении максимально допустимой силы сжатия появляется эффект детонации: смесь сгорает не тогда, когда нужно, а тогда, когда ее сжатие приводит к самовозгаранию. По этой причине на турбированных двигателях используют высокооктановый бензин.

То есть, максимальная компрессия показывает максимально возможное количество топлива (и соответственно воздуха), которое можно подать в цилиндр без вреда для двигателя.
Второй показатель турбины – рабочий диапазон вращения ротора. Это показатель скорости вращения от минимально полезной до максимально безопасной для устройства, превышение которой ведет к перегреву и преждевременному износу.

Также нелишним будет учесть показатели термоустойчивости турбины. Обычно производители указывают максимальную температуру отработанных газов на входе в турбину и максимальную температуру масла на входе. Чем мощней двигатель, тем выше будут эти температуры и тем тщательней нужно выбирать компрессор.

Поскольку турбина подключается к масляной магистрали, производители указывают оптимальные и минимальные показатели давления масла на входе.

Производительность компрессора определяется объемом воздуха, пропускаемым за один оборот ротора. Чем больше турбина, тем выше этот показатель, но и выше инерционность, так что в большинстве случаев специалисты рекомендуют выбирать компрессоры средней производительности.

 

Сколько служит турбина и отчего выходит из строя

Многие автомобилисты называют турбину расходным материалом: срок службы ее не слишком радует любителей уличных гонок. При идеальных условиях (передвижение по городу, регулярное ТО) турбина прослужит примерно 150 тыс. км. Но ведь турбины ставят не затем, чтобы чинно ездить 50 км/ч, так что при экстремальном использовании ресурс можно смело делить на 2, и то при грамотном обслуживании своей машины.

Безжалостная статистика утверждает: только 5% турбин выходят из строя, «померев своей смертью», то есть выработав заложенный в них ресурс полностью. В абсолютном большинстве случаев поломки случаются по причине недосмотра или небрежности хозяина автомобиля.

Два самых страшных врага турбины – посторонние предметы и масляное голодание (и вообще проблемы с маслом).

Учитывая огромную скорость вращения, даже безобидная на первый взгляд пыль может за короткое время сточить лопасти, забиться в подшипники и вывести турбину из строя. Поэтому турбированные двигатели намного чувствительней к качеству воздушного фильтра, чем обычные атмосферные. Добавить сюда дополнительную нагрузку на фильтр (воздух проходит через него с достаточно сильным напором) и становится понятно, почему многие, тюнингуя свой автомобиль, ставят фильтры нулевого сопротивления.

Но, каким бы качественным ни был фильтр, он может пострадать от попавшей в воздухозаборник влаги и испортиться (бумага после высыхания уже не выполняет свои функции). После поездки под хорошим сильным дождем лучше осмотреть фильтр сразу, и в случае необходимости заменить. Дешевле выйдет.

Повреждение турбины посторонними предметами

Посторонние предметы могут попасть не только на крыльчатку турбины, но и на ротор. Чаще всего это частицы кокса из выпускного коллектора, а иногда и детали двигателя (обломки клапанов, свечей зажигания и т.д.) Если мотор посыпался, турбина умирает практически сразу.

Проблемы со смазкой турбины встречаются даже чаще, чем поломки из-за посторонних предметов. Одна из самых распространенных причин проблемы – использование нерегламентированного масла (большей вязкости, другого качества и т.д.) В турбированных двигателях требования к маслу на порядок жестче, чем в атмосферных! От «неправильного» масла турбина выходит из строя раньше, чем двигатель.

Тут же нужно напомнить об интервале замены масла и масляного фильтра. Со временем в масле, и особенно в фильтре, накапливаются продукты сгорания, твердые частицы разного размера. Фильтр забивается и не пропускает достаточное количество масла, после чего в нем срабатывает перепускной клапан и масло проходит напрямую, без очистки. Если двигатель еще немного поработает в таком режиме, то турбина выйдет из строя сразу: твердые частицы сработают как абразив, а более мелкие забьют каналы для подачи масла к подшипникам турбины. При разборке компрессоров, пострадавших от масляного голодания, на металле часто можно видеть не только истертости, но и цвета побежалости – свидетельство критического перегрева.

Вал турбины со следами перегрева

Одним словом, система с наддувом намного чувствительней к работе всех смежных узлов, чем простая атмосферная. Это относится не только к зажиганию, подаче топлива и т.д., но и к состоянию катализатора и сажевого фильтра. Неисправный катализатор приводит к образованию сажи и кокса в выпускной системе, повышению нагрузки на турбину, а от нештатных нагрузок она выходит из строя.

Трещина в корпусе

 

Покупать ли автомобиль с турбодвигателем?

Несмотря на преимущества турбированных моторов, производители продолжают выпускать атмосферные двигатели, а покупатели зачастую выбирают именно их. Мотор без наддува привлекает большей надежностью, меньшими требованиями, меньшими затратами на обслуживание и ремонт. Так что для спокойной «семейной» езды подойдет и хороший «атмосферник», который, кстати, может быть намного эффективней, чем двигатель с неправильно подобранной или криво установленной турбиной.

Но ведь машина может больше! Установка компрессора позволяет раскрыться потенциалу двигателя, к тому же, как уже говорилось выше, турбонаддув помогает экономить топливо за счет оптимизации процесса работы. Так что любители быстрой езды выбирают турбо.

Нет однозначного ответа, что выбрать: атмосферный двигатель, приводной компрессор или турбину. Все они имеют свои плюсы и минусы, и нужно определиться, что подойдет именно под ваши нужды и желания.

 

 

 

 

Наддув, нагнетатели и немного истории

Автор: Владимир Егоров
Источник: icarbio.ru
60964 9
Готтлиб Даймлер

Наддув начал использоваться на практике, как только конструкторы определили важнейший автомобильный приоритет – высокую удельную мощность при возможно меньших габаритах мотора. Первым нагнетателем, появившемся на автомобильном двигателе (если не считать самых ранних поршневых компрессоров), стал принудительный или механический нагнетатель типа «Рутс» («Roots»), хорошо зарекомендовавший себя в промышленности. Это произошло в 1885 году [1], когда Готтлиб Даймлер запатентовал нагнетатель собственной конструкции, работавший по принципу нагнетателя братьев Рутс. В 1902 г. во Франции Луис Рено запатентовал проект центробежного нагнетателя, а уже в 1911 г. принцип действия турбонагнетателя, работающего на энергии выхлопных газов, впервые описал и запатентовал швейцарский изобретатель Альфред Бюхи.

Наддув
Повышение давления воздуха при впуске в двигатель внутреннего сгорания с целью увеличения количества подаваемого топлива и, соответственно, мощности снимаемой с единицы объёма двигателя.
Нагнетатель (компрессор)
Механизм для сжатия и подачи газов под давлением.

Однако быстрое решение задачи (литровая мощность действительно заметно увеличилась) оказалось не таким удачным, как представлялось вначале. Существенно возросший приток тепла, который несли отработавшие газы, преждевременно выводил из строя выпускные клапаны, поршни и систему охлаждения. Несоответствие конструкции и применявшихся материалов задержало развитие наддува на автомобиле.

Истребитель «SPAD» S.XIII»

Следующий шаг сделали авиационные двигателисты. Первым авиационным двигателем с механическим наддувом считается двухтактный ротативный двигатель «Мюррей-Вильята», на самолёте с которым в 1910 г. был установлен рекорд высоты в 5200 м. В 1918 г., на один из истребителей «SPAD» S.XIIIC» был установлен турбонаддувный агрегат «Рато» («Rateau»), который не дал преимуществ самолёту (в связи с недостатками его конструкции и недостаточной для привода турбины мощностью авиадвигателя первых модификаций «Испано-Сюиза» 8-й серии). Но уже в том же году турбонаддувным агрегатом «Рато» был оснащен более мощный чем «Испано-Сюиза» двигатель «Либерти» L-12», а в 1920 г. биплан «Lepere» с этим двигателем поднялся на рекордную по тем временам высоту - 10092 м. Важные исследования, проведенные совместно с металлургами, позволили наладить выпуск поршней, клапанов и подшипников, отвечавших более жестким требованиям. В итоге, наддув всерьез и надолго прижился в авиации.

Внедрению систем наддува не в небесах, а на земле помог автомобильный спорт, где требовались мощные и легкие моторы. Первыми разработали спортивные двигатели с наддувом «Daimler» (1921 г.), «Sunbeam» и «FIAT» (1922 г.). Именно итальянский гоночный «FIAT», выиграв в 1923 г. Большой приз Европы, открыл список побед системы-новинки. В следующем, 1924 г. компрессорные «Alfa Romeo» и «Daimler» завоевали, соответственно, Большой приз автомобильного клуба Франции и первое место в гонках Тарга Флорио в Италии. Уже первые нагнетатели повышали мощность на 50-70%. Например, у 2-литрового двигателя «Delage» после введения наддува мощность возросла со 125 до 190 л.с., т.е. на 52%!

Рассмотрим явление наддува подробнее. Так как подача необходимого количества топлива технических затруднений не вызывает, то мощность двигателя зависит, главным образом, от поступающей в цилиндры за единицу времени массы воздуха. Этот показатель, в свою очередь, связан с рабочим объемом мотора, частотой вращения коленчатого вала (предел здесь — допустимое значение средней скорости поршня) и объемным КПД (коэффициентом наполнения). Стало быть, при заданных условиях увеличить массу воздуха, проходящего через цилиндры, можно только через наддув. Нагнетая воздух в цилиндр принудительно, на современном двигателе можно без особых проблем получить 25%-ную прибавку к мощности, а с интеркулером мощность можно удвоить.

Высокая температура и давление подаваемого в цилиндры воздуха может привести к тому, что в конце такта сжатия, когда поршень спрессует в цилиндре и так уже сжатую топливо-воздушную смесь, ее температура и давление могут оказаться настолько высокими, что это вызовет преждевременную ее детонацию – это явление очень опасно для бензинового двигателя, так как ведёт к его катастрофическому износу. Дабы избежать подобных проблем, можно перейти на более высокооктановые сорта топлива, но чаще всего этого оказывается мало. При достаточно больших значениях давления приходится производить декомпрессию, т.е. снижать степень сжатия.

«Mercedes-Benz» 540K»

Сниженная же степень сжатия отрицательно влияла на КПД и экономичность. В итоге приводные нагнетатели рекомендовались лишь для крайних случаев. В инструкции 1937 г. для легкового автомобиля «Mercedes-Benz» 540K» (на этой модели, кстати, карбюратор дополняли специальные клапаны, включавшиеся одновременно с компрессором) говорилось: «Включайте компрессор (при 1000 оборотов в минуту) только в случае острой необходимости, например, для быстрого проезда перекрестков, ускоренных разгонов, преодоления коротких крутых подъемов и т.д. Продолжительность работы мотора с компрессором не должна превышать 1 минуту, а при достижении 3400 об/мин отключите систему немедленно».

Несмотря на попытки «Lancia», «Volkswagen», «General Motors» в 70-80-е годы усовершенствовать нагнетатели, приводные компрессоры постепенно сошли со сцены. Сейчас они применяются в основном различными тюнинг-ателье и гаражными «умельцами» для форсирования двигателей и очень редко стоят на серийных автомобилях. Крупные автопроизодителям используют нагнетатели в том случае, когда необходимо создать ряд двигателей разной мощности без существенной переделки конструкции базового двигателя.

Самая современная система с принудительным нагнетателем, установленная на моделях «Mercedes-Benz» С- и Е-класса практически не отличается от распространённых в 20-30-е годы роторно-шестеренчатых компрессоров типа «Рутс». Двигатель рабочим объемом 2,3 л комплектуется механическим компрессором фирмы «Eaton», усовершенствованной версией «Рутс» — винтообразных лопастей уже не две, а три или четыре. Привод осуществляется поликлиновыми ремнями от коленчатого вала двигателя. Особое покрытие лопастей, уменьшив трение, значительно улучшило КПД механизма. Подключается компрессор уже не водителем, а специальным электромагнитным сцеплением и только тогда, когда требуется резкое увеличение мощности. Степень сжатия уменьшена до 8,8. Четырехцилиндровый двигатель рабочим объемом 2,3 л развивает с компрессором 193 л.с. вместо 150 л.с. при 5400-5500 об/мин. Крутящий момент увеличивается с 220 до 270 Нм при 3750-3800 об/мин.

У нас в стране опыт применения механических нагнетателей на легковых автомобилях ограничился единичными экземплярами гоночных машин в 40-50-е годы.

Значительно более широкое распространение в мире получил наддув с турбонагнетателем, т.е. нагнетателем, приводимым турбиной, действующей на отработавших газах.

Ниже приведена классификация видов наддува ДВС.

Агрегатный наддув осуществляется с помощью нагнетателя. Он подразделяется на:

  • механический наддув, где используется компрессор, приводимый в действие от коленчатого вала двигателя;
  • турбонаддув, где компрессор (обычно центробежный) приводится турбиной, вращаемой выхлопными газами двигателя;
  • наддув «Comprex», заключающийся в использовании давления отработавших газов, действующих непосредственно на поток воздуха, подаваемого в двигатель;
  • электрический наддув, где используется нагнетатель, вращаемый электродвигателем;
  • комбинированный наддув объединяет несколько схем, как правило, речь идет о совмещении механического и турбонаддува.

Безагрегатный наддув. К нему относят:

  • резонансный наддув (иногда называемый инерционным или акустическим), реализуемый за счёт колебательных явлений в трубопроводах;
  • динамический наддув (скоростной или пассивный наддув) увеличивает давление во впускном коллекторе за счет воздухозаборников особой формы при движении с высокой скоростью;
  • рефрижерационный наддув достигается испарением в поступающем воздухе топлива или какой-либо другой горючей жидкости с низкой температурой кипения и большой теплотой парообразования, на автомобильных двигателях не применяется.

Отметим, что существуют некоторые разногласия в понятиях, и резонансный наддув иногда называют динамическим. В данной статье мы под динамическим наддувом будем понимать только увеличение давления на впуске за счет воздухозаборников особой формы.

Механический наддув

Механический наддув позволяет легко поднять мощность двигателя. Основным элементом в такой системе является нагнетатель, приводимый непосредственно от коленчатого вала двигателя. Механический нагнетатель способен закачивать воздух в цилиндры при минимальных оборотах и без задержки, увеличивая давления наддува строго пропорционально оборотам двигателя, что является важным преимуществом подобной схемы. Однако механический наддув имеет и существенный недостаток – он отбирает на свою работу часть мощности двигателя.

На видео ниже экстремальный трицикл «Rocket 2» с механическим наддувом.

Все виды механических нагнетателей можно подразделить на объемные («Рутс», «Лисхольм» и др.) и центробежные.

Нагнетатель типа «Рутс»/«Итон»

Схема работы нагнетателя типа «Рутс»/«Итон»

Братья Рутс разработали свой нагнетатель еще в 1859 г. Он относится к объёмным роторным шестерённым машинам для подачи газовых сред. Первоначально он использовался как вентилятор для проветривания промышленных помещений. Конструкция его была очень проста: две вращающиеся в противоположных направлениях прямозубые «шестерни», помещенные в общий кожух, перекачивают объемы воздуха от впускного коллектора до выпускного в пространстве между своими зубьями и внутренней стенкой корпуса.

В 1949 году другой американский изобретатель – Итон (Eaton) – усовершенствовал конструкцию: прямозубые «шестерни» превратились в косозубые роторы, а воздух стал перемещаться не поперек их осей вращения, а вдоль. Принцип работы при этом не изменился — воздух внутри агрегата не сжимается, а просто перекачивается в другой объем, отсюда и название — объемный нагнетатель.

Нагнетатель «TVS»

В настоящее время совершенствование нагнетателей данного типа идёт по пути увеличения количества зубьев-лопаток, если первоначально в нагнетателе Итона было по две лопатки на роторе, то сегодня их число достигло четырёх – «Eaton» TVS» [2]. Увеличение числа лопаток позволяет сгладить основной недостаток нагнетателей типа «Рутс» – неравномерность подачи воздуха, создающую пульсацию давления. Кроме того, для тех же целей впускное и выпускное окно компрессора делают треугольным. Эти конструктивные ухищрения позволяют добиться того, что такие компрессоры работают достаточно тихо и равномерно. Компрессоры подобного типа имеют ещё один существенный недостаток. При выдавливании несжатого воздуха в сжатый в нагнетательном трубопроводе создается турбулентность, способствующая росту температуры воздушного заряда, поэтому наряду с обычным ростом температуры от непосредственно повышения давления происходит дополнительный нагрев. В этой связи современные нагнетатели данного типа в обязательном порядке оснащаются интеркулерами.

Механический наддув c нагнетателем «Рутс»/«Итон»

Сегодня современные технологические возможности вывели подобные компрессоры на очень высокий уровень производительности. Основные преимущества нагнетателей «Рутс» заключаются в простоте конструкции (малое количество деталей и малая скорость вращения роторов делают такие нагнетатели очень долговечными), компактности, эффективности на малых и средних оборотах двигателя, низком уровне шума по сравнению с центробежными компрессорами.

Центробежный нагнетатель

Центробежный нагнетатель

Подобные нагнетатели получили в настоящее время наибольшее распространение, как в виде отдельного приводного компрессора, так и главным образом в составе турбонаддува.

Основная деталь центробежного нагнетателя – рабочее колесо, или крыльчатка. Она имеет довольно сложную конусообразную форму. Лопатки крыльчатки играют самую главную роль. От того, насколько правильно они спроектированы и изготовлены, зависит результирующая эффективность всего нагнетателя. Итак, воздух, пройдя по сужающемуся воздушному каналу в нагнетатель, попадает на радиальные лопасти крыльчатки. Лопасти закручивают и отбрасывают его центробежной силой к периферии кожуха, где имеется диффузор. Зачастую диффузор имеет лопатки (порой с регулировкой угла атаки), призванные снизить потери давления. Далее воздух выталкивается в окружной воздушный туннель (воздухосборник), который чаще всего имеет улиткообразную форму (воздухосборник, описывая окружность, постепенно расширяется в диаметре). Такая конструкция создает необходимое давление воздушного потока на выходе из нагнетателя. Дело в том, что внутри кольца воздух поначалу движется быстро, и его давление мало. Однако в конце улитки русло расширяется, скорость воздушного потока понижается, а давление увеличивается.

В силу самого принципа работы у центробежного нагнетателя есть один существенный недостаток. Для эффективной работы крыльчатка должна вращаться не просто быстро, а очень быстро. Фактически производимое центробежным компрессором давление пропорционально квадрату скорости крыльчатки. Скорости могут быть 40  тыс. об/мин и более, а для высоконапорных компрессоров дизелей они приближаются к 200 тыс. об/мин. И в том случае если привод осуществляется от двигателя посредством ременной передачи на шкив турбины, шум от такого устройства довольно сильный. Проблема шумности и ресурса элементов привода частично снимается введением дополнительного мультипликатора, который снижает КПД механического нагнетателя.

Высокие рабочие обороты накладывают особые требования на качество используемых материалов и точность изготовления (учитывая огромные нагрузки от центробежных сил). К минусам самого принципа нагнетания можно также отнести некоторую задержку в срабатывании. Как правило, центробежный нагнетатель дает прибавку в мощности на довольно высоких оборотах двигателя. Сначала давление нарастает медленно, но затем, с увеличением оборотов, довольно резко возрастает. Эта особенность делает центробежные нагнетатели наиболее пригодными для тех случаев, когда более важно поддержание высоких скоростей, а не интенсивность разгона.

Центробежные нагнетатели очень популярны: сравнительно низкая цена и простота установки способствовали тому, что компрессоры этого типа почти вытеснили другие, более дорогие и сложные типы, особенно в сфере тюнинга. Недостатки данного типа нагнетателей известны: повышенные шум и износ, эффективная прибавка мощности только на высоких оборотах.

Нагнетатели типа «Лисхольм»

Схема нагнетателя типа «Лисхольм»

Следует также рассказать о винтовом нагнетателе или нагнетателе типа «Лисхольм» («Lysholm»). Компрессоры данного типа иногда используются для увеличения мощности двигателя. Первый в мире винтовой нагнетатель был изготовлен и запатентован шведским инженером Альфом Лисхольмом в 1936 г. Он также как и «Рутс» относится к роторным объёмным нагнетателям. Два ротора с взаимодополняющими профилями захватывая поступающий воздух, начинают взаимное встречное вращение. Порция воздуха проталкивается вперед вдоль роторов. Роторы имеют между собой чрезвычайно малые зазоры — это обеспечивает высокую эффективность и довольно малые потери. Основное отличие винтового компрессора от объемных роторно-шестеренчатых нагнетателей – наличие внутреннего сжатия, следовательно, не возникает дополнительной турбулентности как у рутс-компрессоров. Это обеспечивает им высокую эффективность нагнетания практически на всей шкале оборотов двигателя. Для достижения больших значений давления может потребоваться охлаждение корпуса компрессора.

Нагнетатель типа «Лисхольм»

Основные плюсы нагнетателей типа «Лисхольм»: высокая эффективность (КПД порядка 70%), надежность и компактная конструкция. Кроме того, винтовые компрессоры довольно тихие при правильном проектировании и изготовлении. Здесь и кроется единственный их минус. Дело в том, что роторы этих компрессоров имеют очень сложную форму и, как следствие, дороги. По этой причине нагнетатели «Лисхольм» практически не встречаются в массовом автомобильном производстве. По той же причине и компаний, производящих эти прогрессивные нагнетатели, не так много.

Прочие типы нагнетателей

В 80-х годах прошлого столетия компания «Volkswagen» экспериментировала с довольно необычными спиральными нагнетателями. В автомобильном применении они более известны как «G-Lader». Сейчас это направление компанией VW свернуто. Идея спирального одноосевого нагнетателя также очень стара. В 1905 году изобретатель Леон Креукс подал заявку на патент. Первоначально предусмотренный в качестве паровой машины, такой нагнетатель имел два спиральных витка, расположенных один в другом. В течение десятилетий он совершенствовался и, в конце концов, превратился из первоначальной четырехструйной машины в восьмиструйную, которая была оснащена двумя камерами — внутренней и внешней — по обеим сторонам с углом разворота 180 градусов относительно друг друга. Но тогда о массовом производстве таких нагнетателей можно было только мечтать, потому что в то время еще отсутствовали соответствующее технологии и оборудование. Сложность производства заключалась также в том, что изготовление деталей должно было быть максимально точным, так как любое отклонение в структуре или качестве поверхности могло привести к значительному снижению КПД. Поэтому в качестве нагнетательного аппарата для автомобильного двигателя спиральный нагнетатель стал использоваться очень поздно. С середины восьмидесятых до 1992 года его серийно использовал лишь «Volkswagen» в моделях «Polo», «Corrado», «Golf» и «Passat». Однако ряд фирм (преимущественно немецких) продолжают производить такие компрессоры и сегодня.

Также спиральный нагнетатель имеет важные преимущества: высокий КПД (75,9% у прототипов) и низкий уровень шума, хорошее уплотнение (благодаря чему наличие давления наддува проявлялось уже на малых оборотах) и малые потери на трение.

Поршневые нагнетатели, самая распространенная схема обычных воздушных компрессоров в настоящее время, в автомобилях не прижились совсем. А вот на судовых моторах они использовались достаточно широко. Интересен метод нагнетания подпоршневым насосом. Здесь в качестве нагнетателя используется сам поршень, который при движении к НМТ (нижняя мертвая точка) выталкивает находящийся под ним воздух.

Схема шиберного нагнетателя

Следует упомянуть незаслуженно забытые в автомобилестроение шиберные, или лопастные, нагнетатели. Это довольно простые по конструкции и принципу действия машины. Цилиндрический корпус имеет два отверстия, как правило, растянутые во всю длину цилиндра и находящимися на одной его стороне, т. е. не строго друг против друга. Внутри корпуса находится ротор диаметром примерно в три четверти от внутреннего диаметра корпуса. Ротор смещен к одной из сторон корпуса, примерно посредине отверстий. В роторе несколько продольных канавок, в которых находятся шиберы (лопатки). При вращении ротора благодаря заложенному конструкцией эксцентриситету и шиберам, выдвигающимся за счет центробежных сил, воздух сперва всасывается в одну из долей, образованных парой соседних лопаток, а затем сжимается до момента подхода к выпускному отверстию.

Будучи качественно изготовленными, такие компрессоры нагнетали довольно большое давление. В сравнении с рутс-компрессорами они обладали более высоким КПД, меньше пропускали воздуха, практически не нагревали его и были менее шумными. Да и мощности двигателя они отнимали меньше. Хорошо сконструированный шиберный нагнетатель может быть на 50% более производительным, нежели рутс-компрессор. В силу своей конструкции самой большой проблемой шиберных машин были высокие фрикционные нагрузки между шиберами и корпусом. По мере износа КПД компрессора заметно падал из-за увеличения протечек воздуха. В связи с этой проблемой шиберные компрессоры делали низкооборотными, но довольно габаритными. Это стало практически непреодолимой проблемой, и шиберные компрессоры были забыты. В настоящее время появляются новые материалы и технологии, которые делают вновь востребованными старые технические решения и конструкции.

Турбонаддув

Схема турбонаддува

Турбокомпрессор или турбонагнетатель состоит из газовой и компрессорной турбин посаженных на один вал. Фактически компрессорная часть – это центробежный нагнетатель. Скорость вращения газовой турбины, благодаря энергии отработавших газов, очень высока (50-100 тысяч об/мин). Компрессор засасывает и сжимает воздух, подающийся затем во впускной трубопровод для приготовления горючей смеси. Степень сжатия приходится уменьшать и в этом случае, однако тепловой КПД такого мотора снижается незначительно и, более того, удельный расход топлива иногда даже падает. При высоком давлении наддува целесообразно охлаждать воздух после компрессора до поступления в цилиндры. В бензиновых двигателях температура воздуха в цилиндрах ограничена детонацией. Чем выше жаропрочность лопаток турбины (предел около 1000 °С) и чем большую температуру раскаленных выхлопных газов выдерживает этот материал, тем эффективнее работа турбонагнетателя. Нагрев выхлопных газов в дизелях доходит до 600 °С, а в бензиновых двигателях до 1000 °С, поэтому с точки зрения долговечности дизельная турбина дает лучшие результаты. Также увеличенный приток воздуха позволяет дизелю хорошо справляться с обедненными смесями, воспламенение которых при высоких температурах сжатия не вызывает никаких затруднений. Кроме того, дизели с турбонаддувом становятся менее «жесткими» в работе. Однако при быстром и резком увеличении мощности возникают проблемы. Из-за инерции турбокомпрессора подача воздуха отстает от подачи топлива, поэтому сначала дизель работает на обогащенной смеси с повышенной дымностью. Длительность этого периода зависит от момента инерции ротора турбокомпрессора, которую сводят к минимуму увеличением оборотности при уменьшении диаметра колес турбины.

Свои особенности у турбонаддува бензиновых двигателей. Здесь, как правило, экономия топлива достигается переходом на уменьшенный рабочий объем двигателя (при той же или большей мощности, обеспечиваемой турбонаддувом). Воспламенение бедных смесей бензина с воздухом происходит с трудом, поэтому необходимо регулировать количество подаваемого воздуха (а не топлива, как на дизеле), что особенно важно при высоких частотах вращения, когда компрессор работает с максимальной производительностью. Существует множество способов ограничения подачи воздуха при пиковых режимах. Рассмотрим систему регулирования «АРС» фирмы «SAAB», в которой для регулирования давления наддува применена электроника. За давлением наддува следит специальный клапан, контролирующий поток отработавших газов, идущих через перепускной канал мимо турбины. Клапан открывается при разрежении во впускном трубопроводе, величина которого регулируется дросселированием потока воздуха между впускным трубопроводом и входом в компрессор. Степень разрежения в перепускном клапане зависит от положения дроссельной заслонки с электроприводом, управляемым электронным устройством, получающим сигналы датчиков давления наддува, детонации и частоты вращения. Датчик детонации представляет собой чувствительный пьезоэлектрический элемент, установленный в блоке цилиндров и улавливающий детонационные стуки. По сигналу этого датчика ограничивается разрежение в управляющей камере перепускного клапана.

Система «АРС» заметно улучшает динамику автомобиля. Например, для быстрого обгона (или разгона) в условиях интенсивного движения двигатель переводится в режим работы с максимальным давлением наддува. При этом детонация в относительно холодном, работавшем на частичной нагрузке двигателе не может, естественно, возникнуть мгновенно. По истечении нескольких секунд, когда температуры возрастут и начнут проявляться первые тревожные симптомы, по сигналу датчика детонации управляющее устройство плавно снизит давление наддува. Применение системы «АРС» при сохранении значений крутящего момента двигателя по внешней характеристике поднимает степень сжатия с 7,2 до 8,5, уменьшая давление наддува с 50 до 40 кПа при 6-8% экономии топлива.

В последнее время совершенствование концепций наддува идет по пути создания регулирующих систем для повышения крутящего момента при низких оборотах двигателя, а также снижения инерционности. Существует несколько способов решения данной проблемы:

  • применение турбины с изменяемой геометрией;
  • использование двух параллельных турбонагнетателей;
  • использование двух последовательных турбонагнетателей;
  • комбинированный наддув.

Турбина с изменяемой геометрией обеспечивает оптимизацию потока отработавших газов за счет изменения площади входного канала. Турбины с изменяемой геометрией нашли широкое применение в турбонаддуве дизельных двигателей, к примеру турбонаддув двигателя «TDI» от «Volkswagen».

Система с двумя параллельными турбонагнетателями (система «biturbo») применяется в основном на мощных V-образных двигателях (по одному на каждый ряд цилиндров). Принцип работы системы основан на том, что две маленькие турбины обладают меньшей инерцией, чем одна большая.

При установке на двигатель двух последовательных турбин (система «twin-turbo») максимальная производительность системы достигается за счет использования разных турбонагнетателей на разных оборотах двигателя.

Комбинированный наддув объединяет механический и турбонаддув. На низких оборотах коленчатого вала двигателя сжатие воздуха обеспечивает механический компрессор. С ростом оборотов подхватывает турбонагнетатель, а механический компрессор отключается. Примером такой системы является двойной наддув двигателя «TSI» от «Volkswagen».

После отказа от карбюраторов и переходе на электронный впрыск топлива особенно эффективным стал турбонаддув на бензиновых двигателях. Здесь уже достигнута впечатляющая топливная экономичность.

В целом же, следует признать, что турбонаддув, увеличивая тепловые и механические нагрузки, заставляет вводить в конструкцию ряд упрочненных узлов, усложняющих двигатель как в производстве, так и при техническом обслуживании.

Наддув «Comprex»

Также не хотелось оставить без внимания такой интересный способ наддува как «Компрекс» («Comprex»), разработанный фирмой «Браун энд Бовери» (Швейцария) заключающийся в использовании давления отработавших газов, действующих непосредственно на поток воздуха, подаваемого в двигатель. Получаемые при этом показатели двигателя такие же, как и в случае использования турбокомпрессора, но турбина и центробежный нагнетатель, для изготовления и балансировки которых требуются специальные материалы и высокоточное оборудование, отсутствуют.

Схема системы «Comprex»

Главная деталь в системе «Компрекс» — это лопастный ротор, вращающийся в корпусе с частотой вращения, втрое большей частоты вращения коленчатого вала двигателя. Ротор установлен в корпусе на подшипниках качения и приводится в движение клиновым или зубчатым ремнем от коленчатого вала. Привод компрессора типа «Компрекс» потребляет не более 2% мощности двигателя. Агрегат «Компрекс» не является компрессором в полном смысле слова, поскольку его ротор имеет только каналы, параллельные оси вращения. Эта система наддува является единственным выпущенным большой партией нагнетателем с волновым обменником давления. Он, как и механический нагнетатель, приводится в действие от распределительного вала, но использует полученную энергию лишь для синхронизации частоты вращения ротора с частотой вращения распределительного вала двигателя, а сжимает воздух энергия отработавших газов. Ротор имеет каналы параллельные оси его вращения, где поступающий в двигатель воздух сжимается давлением отработавших газов. Торцовые зазоры ротора гарантируют распределение отработавших газов и воздуха по каналам ротора. На внешнем контуре ротора расположены радиальные пластины, имеющие небольшие зазоры с внутренней поверхностью корпуса, благодаря чему образуются каналы, закрытые с обеих сторон торцовыми крышками.

В правой крышке имеются окна: а — для подачи отработавших газов от двигателя в корпус агрегата и г — для отвода отработавших газов из корпуса в выпускной трубопровод и далее — в атмосферу. В левой крышке имеются окна: б — для подачи сжатого воздуха в двигатель и д — для подвода свежего воздуха в корпус из впускного трубопровода е. Перемещение каналов при вращении ротора вызывает их поочередное соединение с выпускным и впускным трубопроводами двигателя.

При открывании окна а возникает ударная волна давления, которая со скоростью звука движется к другому концу выпускного трубопровода и одновременно направляет в канал ротора отработавшие газы, не смешивая их с воздухом. Когда эта волна давления достигнет другого конца выпускного трубопровода, откроется окно б и сжатый отработавшими газами воздух в канале ротора будет вытолкнут из него в трубопровод в к двигателю. Однако еще до того, как отработавшие газы в этом канале ротора приблизятся к его левому концу, закроется сначала окно а, а затем окно б, и этот канал ротора с находящимися в нем под давлением отработавшими газами с обеих сторон будет закрыт торцовыми стенками корпуса.

При дальнейшем вращении ротора этот канал с отработавшими газами подойдет к окну г в выпускной трубопровод и отработавшие газы выйдут в него из канала. При движении канала мимо окон г выходящие отработавшие газы эжектируют через окна д свежий воздух, который, заполняя весь канал, обдувает и охлаждает ротор. Пройдя окна г и д, канал ротора, заполненный свежим воздухом, вновь закрывается с обеих сторон торцовыми стенками корпуса и, таким образом, готов к следующему циклу [3].

Описанный цикл весьма упрощен в сравнении с происходящим в действительности и осуществляется лишь в узком диапазоне частоты вращения двигателя. Здесь кроется причина того, что известный уже в течение долгого времени этот способ наддува практически не применяется в автомобилях. «Comprex» был серийно использован в дизельных моделях двух знаменитых марок: «Opel» в 2,3-литровом «Senator» и «Mazda» 626» в 2,0-литровом четырехцилиндровом моторе. Но «Opel» ставил компрекс-нагнетатели на свои модели всего год (до 1986 года), в отличие от компании «Mazda», которая поставляла свои двигатели с компрекс-наддувом до 1996 года, пока в июне 1997 года он окончательно не был снят с программы производства.

Свое преимущество компрекс-нагнетатель проявляет уже на низких оборотах двигателя, так как при этом ему вполне достаточно и малого объема отработавших газов для того, чтобы получить высокую степень сжатия. В этом и заключается важное отличие от турбонагнетателя, количество отработавших газов в котором находится в прямой зависимости от привода компрессора. Также применение агрегата наддува «Компрекс» вместо турбокомпрессора снижает шум двигателя, так как он работает при более низкой частоте вращения.

Электрический наддув

Система электрического наддува разрабатывалась фирмой «Controlled Power Technologies» (в настоящий момент вошла в состав подразделения силовых агрегатов компании «Valeo») в течение трех лет.

В отличие от турбонаддува, где центробежный нагнетатель приводят в действие выхлопные газы, или механического наддува, где нагнетатель связан с коленчатым валом двигателя, в системах с электрическим наддувом нагнетатель вращается электромотором. Обычно подобные системы являются комбинированными, так как использование электрического и турбонаддува совместно даёт существенный выигрыш, позволяя избежать турбоямы на низких оборотах двигателя.

Система электрического наддува «Controlled Power Technologies»
Она совмещает в одном устройстве электрический и турбонагнетатель.

Компания «Audi» недавно представила систему электрического наддува, работающую по схеме, отличной от схемы «Controlled Power Technologies». Система «Audi» (на рис. ниже) использует двойной наддув: обычная турбина работает на средних и высоких оборотах, а электрическая — на малых, исключая турбояму.

Система электрического наддува «Audi»

В «Audi» собираются снабдить электрическим наддувом собственные дизельные моторы. На заводе компании уже собран пробный образец трехлитрового V6 TDI с подобным двойным наддувом. В системе задействован компактный электродвигатель, способный быстро раскрутить турбину до высоких скоростей. Возникновение дополнительного потребителя никак не должно отразиться на общем уровне энергопотребления, так как потери на раскрутку турбины перекроются при помощи системы рекуперации.

Внимание к электрическому наддуву в последнее время проявляют также компании «Ricardo», «Ford» и «BMW». Последняя недавно получила патент на электротурбину собственной конструкции, а компания «Ford» работает совместно с «Controlled Powertrain Technologies» и «Valeo» над трёхцилиндровым двигателем «Hyboost» с электронаддувом. «Valeo» станет первым поставщиком комплектующих, который предложит на рынок целый спектр электрических нагнетателей.

На рынке тюнинга существуют и так называемые осевые электрические нагнетатели, которые, как правило, входят в систему динамического наддува (читайте ниже). Движение воздуха в них осуществляется в осевом направлении. Один или пара последовательных либо параллельных вентиляторов с электромоторчиком, будучи установленными в воздушном тракте, проталкивают воздух вдоль себя назад, в фильтр или уже после него во впускной коллектор. Если такая система преодолевает хотя бы сопротивление фильтрующих элементов, эффект уже неплохой.

Резонансный наддув (инерционный наддув)

Другое интересное решение, которое фактически не является искусственным методом нагнетания воздуха, — система резонансного наддува. Идея основана на том факте, что приходы волн сжатия к впускному клапану и волн разрежения к выпускному клапану способствуют продувке и очистке камеры сгорания от отработавших газов.

Система резонансного наддува

В первом случае нужно просто поймать волну сжатия, а именно так ведет себя воздух во впускном коллекторе при работе двигателя: чередование приливов и отливов. С изменением оборотов амплитуда этих колебаний меняется. И для того, чтобы поймать волну сжатия, необходимо менять длину впускного коллектора. Поначалу конструкторы пошли по довольно примитивному по смыслу, но довольно сложному по воплощению пути: несколько воздуховодов разной длины и клапана, открывающие тот или иной канал. В настоящее время эта идея нашла свое логическое воплощение в устройствах впускного коллектора переменной длины. Например, компания «BMW» применяет устройство, которое обеспечивает изменение длины впускного тракта. Разумеется, это не полноценная замена наддуву, но определенная выгода от этого есть. Давление наддува, создаваемое за счет колебаний напора воздушного потока, находится в диапазоне от 5 до 20 миллибар. Для сравнения: с помощью турбонаддува или механического наддува можно получить значения в диапазоне между 750 и 1200 миллибар. Плюсом системы резонансного наддува является то, что энергия мотора на ее привод практически не затрачивается.

Во втором случае энергию отработавших газов частично применяют для улучшения наддува двигателя, используя возникающие колебания их давления уже в выпускном трубопроводе. Использование колебаний давления состоит в том, что после открывания клапана в трубопроводе возникает ударная волна давления, со скоростью звука проходящая до открытого конца трубопровода, отражающаяся от него и возвращающаяся к клапану в виде волны разрежения. За время открытого состояния клапана волна может несколько раз пройти по трубопроводу. При этом важно, чтобы к фазе закрывания выпускного клапана к нему пришла волна разрежения, способствующая очистке цилиндра от отработавших газов и продувке его свежим воздухом. Каждое разветвление трубопровода создает препятствия на пути волн давления, поэтому наиболее выгодные условия использования колебаний давления создаются в случае индивидуальных трубопроводов от каждого цилиндра, имеющих равные длины на участке от головки цилиндра до объединения в общий трубопровод.

Внешняя скоростная характеристика
Внешняя скоростная характеристика двигателя гоночного автомобиля «Порше».

Скорость звука не зависит от частоты вращения двигателя, поэтому во всем ее диапазоне чередуются благоприятные и неблагоприятные с точки зрения наполнения и очистки цилиндров условия режима работы. На кривых мощности двигателя Ne и его среднего эффективного давления pe это проявляется в виде «горбов», что хорошо видно на рис. справа, где изображена внешняя скоростная характеристика двигателя гоночного автомобиля фирмы «Порше». Колебания давления используют также и во впускном трубопроводе: приход волны давления к впускному клапану, особенно в фазе его закрывания, способствует продувке и очистке камеры сгорания.

Если с общим выпускным трубопроводом соединяется несколько цилиндров двигателя, то число их должно быть не более трех, а чередование работы — равномерным с тем, чтобы выпуск отработавших газов из одного цилиндра не перекрывал и не влиял на процесс выпуска из другого. У рядного четырехцилиндрового двигателя два крайних цилиндра обычно объединяются в одну общую ветвь, а два средних цилиндра — в другую. У рядного шестицилиндрового двигателя эти ветви образованы соответственно тремя передними и тремя задними цилиндрами. Каждая из ветвей имеет самостоятельный вход в глушитель, или на некотором расстоянии от него ветви объединяются, и организуется их общий ввод в глушитель.

Динамический наддув (скоростной или пассивный наддув)

Система динамического наддува (также называемого скоростным или пассивным наддувом) увеличивает давление на впуске двигателя. Рост давления во впускном коллекторе достигается за счет воздухозаборников особой формы, которые при увеличении скорости движения начинают буквально загонять воздух в двигатель.

Заметный эффект от пассивного наддува начинает проявляться при больших скоростях движения (более 150 км/ч), поэтому на обычных автомобильных двигателях система динамического наддува встречается крайне редко, но иногда применяется на спортивных мотоциклах и автомобилях, а также широко используется для наддува поршневых авиационных двигателей. Нередко пассивный наддув объединяют с другими видами наддува, делая воздухозаборник соответствующей формы.

На «тюнингованных» автомобилях часто выводят впускной тракт на капот или в решетку радиатора, т. е. в зону максимального давления, чем имитируют систему динамического наддува (ниже на рисунке приведена подобная система). Почему имитируют? Потому что пассивный наддув, как уже было написано выше, начинает работать только на высоких скоростях. Также при подобном «тюнинге» ставят «фильтр нулевого сопротивления», который плохо справляется с очисткой поступающего воздуха, что приводит к усиленному износу двигателя.

Динамический наддув
«Тюнинг». Впускной тракт выведен вместо фары.
«Инерционный» наддув
Разновидность динамического наддува. Внутри патрубка системы установлена крыльчатка, благодаря инертности (поэтому некоторые и наывают такой наддув «инерционным») вращения которой возникает завихрение поступающего воздуха, что обеспечивает его максимально быстрое проникновение в камеры сгорания и более полное их наполнение топливо-воздушной смесью. В общем, ерунда полная, на которую ведутся горе-тюнеры.

Преимуществом динамического наддува является то, что это самый дешевый способ относительно остальных.

Последнее обновление 15.11.2012
Опубликовано 22.08.2010

Читайте также

Сноски

  1. ↺ По другим данным он запатентовал сам принцип использования наддува на автомобиле.
  2. ↺ О нагнетателе «TVS» на сайте компании «Eaton».
  3. ↺ Описание работы системы «Comprex» дано по книге Мацкерле Ю. «Современный экономичный автомобиль» (книга есть в библиотеке сайта).

Комментарии

Механический наддув компрессором

При механическом наддуве компрессор приводится от двига­теля, отношение частоты вращения двигателя к частоте вращения компрессора (если не применяется изменяемое передаточное отношение, что встречается в исключительных случаях) остается постоянным. Рабочие точки на характеристике определяются точ­ками пересечения линий, соответствующих постоянным частотам вращения двигателя и компрессора, расположение которых по отношению друг к другу обусловлено передаточным отношением. Как правило, передаточное отношение iмежду частотой враще­ния данного двигателя и компрессора, используемого для над­дува, определяют так, чтобы в точке полной нагрузки достига­лась степень повышения давления, необходимая для заданного среднего эффективного давления. Все остальные рабочие точки получаются при переменной частоте вращения из характеристик, приведенных на рис. 6.1 и 6.2.

На рис. 6.1 изображена характеристика четырехтактного двигателя с механическим наддувом, осуществляемым с помощью объемного компрессора. Точка пересечения линии полной ча­стоты вращения двигателя п с линией полной частоты вращения компрессора пк = іп дает обозначенную кружком рабочую точку полной нагрузки. При уменьшении частоты вращения двигателя понижается и давление наддува по линии рабочих режимов. Протекание этой последней сильно зависит от фактической ха­рактеристики компрессора. Уменьшение давления наддува с понижением частоты вращения двигателя было бы минимальным в том случае, если бы коэффициент подачи компрессора с умень­шением частоты вращения возрастал сильнее, чем коэффициент наполнения двигателя.

Из рис. 6.1 видно, что при увеличении передаточного отноше­ния и уменьшении перекрытия клапанов при прочих неизменных условиях линия рабочих точек сдвигается вверх.

Совместная работа механически приводимого центробежного компрессора с двигателем представлена на рис. 6.2. Из рисунка следует, что давление наддува с понижением частоты вращения падает значительно сильнее, чем в случае применения нагнетателя объемного типа, что объясняется характером зависимости сте­пени повышения давления от частоты вращения.

С точки зрения взаимосвязи в разных областях применения между крутящим моментом Ме двигателя и его частотой враще­ния n различают:

1) работу при постоянной частоте вращения: n = const, Ме = var, например, привод электрических генераторов;

2) работу по винтовой характеристике: Ме ~ n2, например, привод винтов фиксированного шага на судах и самолетах;

3) работу по автомобильной характеристике: n = var, Ме = var, например, привод автомобилей и тепловозов.

Крутящий момент пропорционален среднему эффективному давлению и может быть выражен через него.

Так как в первом случае имеется только одна рабочая точка, которая не зависит от нагрузки, то, с точки зрения характери­стики, механические компрессоры объемного и центробежного типов для этого режима эксплуатации одинаково хороши. Выбор определяется затратами на изготовление и величинами давле­ния и к. п. д.

Во втором случае давление наддува с уменьшением частоты вращения двигателя падает сильнее при механически приводимом центробежном компрессоре, чем при использовании объемного нагнетателя. Это не является недостатком, поскольку давление наддува, если оно было достаточно высоким для режима полной нагрузки, будет достаточным и для частичных нагрузок, так как среднее эффективное давление значительно уменьшается при по­нижении частоты вращения. Значительное уменьшение давления наддува в этом случае даже желательно, поскольку обеспечение высокого давления наддува связано с повышенными затратами мощности двигателя и, следовательно, с дополнительным расхо­дом топлива; поэтому на тех режимах, где повышенное давление наддува не требуется, его лучше не создавать.

В связи с этим центробежные компрессоры являются более подходящими для механического наддува двигателей, работаю­щих по винтовой характеристике.

В третьем случае требуется высокий крутящий момент при низкой частоте вращения двигателя, по возможности даже крутя­щий момент, увеличивающийся с понижением частоты вращения (запас крутящего момента), для того, чтобы, по крайней мере, частично воспринимать возрастающие сопротивления движению при малой скорости, не прибегая к переключению передач. Для этого не пригоден компрессор центробежного типа, более под­ходящим является объемный компрессор, хотя и у него давление наддува, остающееся постоянным с понижением частоты враще­ния, может сохраняться только в ограниченном диапазоне частот вращения.

Так как у двухтактных двигателей в отличие от четырехтакт­ных имеется только одна независимая от частоты вращения двига­теля линия расхода (линия дросселирования, поскольку сопро­тивление двигателя может рассматриваться как сопротивление отверстия постоянного сечения), их рабочие характеристики при различных типах компрессоров не имеют принципиальных отли­чий друг от друга.

У объемного компрессора линии n = const крутые, и объем­ный расход воздуха приблизительно пропорционален частоте вращения. Эти линии пересекают параболу объемного расхода воздуха через двигатель при давлении, примерно квадратично возрастающем с увеличением частоты вращения (рис. 6.3). У ком­прессора центробежного типа давление увеличивается квадратично с ростом частоты вращения.

При переменном противодавлении на выпуске двигателя объем­ный и центробежный компрессоры ведут себя по-разному и в слу­чае двухтактного двигателя, что обусловлено различным расположением линий постоянных частот вращения компрессора. Это следует учитывать, например, на двигателях с турбокомпрессо­ром и параллельно включенными поршневыми насосами с меха­ническим приводом. На основе вышесказанного может быть рас­смотрено поведение двигателя с механическим наддувом и в дру­гих условиях, например в случае переменного передаточного отношения между двигателем и компрессором.


Наддув двигателей — Энциклопедия по машиностроению XXL

Компрессор является одним из основных агрегатов газотурбинных, поршневых и комбинированных авиационных двигателей. В поршневых двигателях сжатие воздуха происходит в цилиндрах. Если двигатель комбинированный, то сжатие воздуха или топливо-воз-душной смеси (наддув двигателя) предварительно осуществляется в компрессоре. Применение наддува было вызвано стремлением увеличить высотность двигателя, так как с увеличением высоты мощность простого двигателя падает, вследствие понижения плотности атмосферного воздуха.  [c.142]
Таким образом, система наддува двигателей внутреннего сгорания может быть с переменным и постоянным давлением перед турбиной.  [c.223]

Особенности рабочего процесса газовых ДВС определяются видом применяемого топлива. Одним из характерных свойств газа является его высокая детонационная стойкость. Октановые числа газообразных топлив, определенных по моторному методу, находятся в пределах 80—110, что позволяет делать газовые ДВС с высокой степенью сжатия. Большинство горючих смесей газообразных топлив с воздухом имеют более низкую теплоту сгорания, чем горючие смеси жидких топлив с воздухом. Следствием этого является уменьшение мощности двигателя при его переводе на газообразное топливо. Для повышения мощности увеличивают степень сжатия, применяют наддув двигателей, увеличивают частоту вращения и т. д. Газообразное топливо с воздухом образует более равномерную горючую смесь, что создает возможность двигателям с принудительным воспламенением работать с более высоким коэффициентом избытка воздуха а = 1,1 ч-1,4.  [c.243]

Заполнение рабочего объема цилиндра воздухом в единицу времени можно увеличить, если повысить число оборотов двигателя, обеспечить увеличение коэффициента наполнения, плотности воздуха (наддув двигателя), а также применить двухтактный цикл.  [c.438]

Наддув двигателей получил широкое применение в авиации, а также на стационарных и транспортных установках.  [c.439]

Нагнетатели, применяемые в качестве продувочных насосов и для наддува двигателей, подразделяют на объемные и лопаточные. Объемные нагнетатели бывают поршневыми и коловратными. Поршневые компрессоры имеют высокий к. п. д. и могут обеспечить высокое давление наддува, однако для них характерны большие габаритные размеры и наличие неуравновешенных сил инерции. Эти компрессоры применяют редко.  [c.166]

Характеристику работы гидромуфты с нагнетателем для наддува двигателя на самолете можно видеть на фиг. 112, где показана высотная характеристика двигателя DB-601 Аа1.  [c.164]

С повышением степени сжатия и наддува двигателя повышается вероятность появления детонации.  [c.482]

При помощи наддува в цилиндр двигателя вводится большее весовое количество воздуха, позволяющее сжечь больше топлива, что приводит к лучшему использованию объема камеры сгорания и получению боль шей литровой мощности двигателя. Наддув как средство для увеличения мощности карбюраторных двигателей ограничен вследствие явлений детонации. Наддув для дизеля не имеет ограничений. Наиболее широко применяются следующие способы наддува двигателя наддув центробежным нагнетателем, приводимым в действие коленчатым валом самого двигателя (такой нагнетатель называется приводным) наддув от нагнетателя, приводимого в действие газовой турбиной, использующей энергию отработавших газов двигателя (такой нагнетатель -называется турбокомпрессором).  [c.307]


Что такое наддув двигателей  [c.285]

При повышении давления на впуске с Ро до Рк, т. е. при наддуве двигателя, повышается да-  [c.49]

III фаза (область е — ж) ъ зависимости от системы продувки состоит либо в дозарядке, если продувочные органы закрываются после выпускных, либо в п о-тере заряда (свободный выпуск), если, наоборот, выпускные органы закрываются после продувочных. В двигателях средней оборотности и высокооборотных обычно применяют асимметричную систему продувки, позволяющую осуществить как дозарядку, так и в случае надобности наддув двигателя.  [c.65]

Наиболее эффективным и рациональным средством повышения мощности двигателя в настояш ее время является увеличение среднего эффективного давления Ре посредством наддува двигателя, т. е. за счет,повышения весового заряда воздуха, поступающего в цилиндр.  [c.89]

При наддуве двигателей вводят охлаждение наддувочного воздуха. Применение охлаждения воздуха оказывает для всех степеней наддува значительное влияние на эффективность наддува и па улучшение показателей рабочего процесса. При наличии охлаждения наддувочного воздуха  [c.90]

По данной причине, за исключением случаев, связанных с высоким наддувом двигателей и длительной работой на переменных режимах, особенно на холостых ходах и малых нагрузках, использование насосов с механическим приводом существенно облегчает доводку теплового процесса двигателя.  [c.324]

ЗОЛОТНИК закрывает верхние каналы для доступа сжатого воздуха, но зато открывает доступ воздуха из среднего канала, двухседельный же клапан открывает доступ газа из нижнего канала, после чего происходит всасывание смеси газа и воздуха, как в обычном двигателе без наддува. Такое всасывание смеси продолжается до тех пор, пока при обратном движении клапана вверх двухседельный клапан и золотник не закроют доступ атмосферного воздуха и газа. После этого золотник открывает доступ воздуха из верхнего канала и начинается наддув двигателя чистым сжатым воздухом.  [c.406]

Центробежные компрессоры получили в настоящее время наибольшее распространение для наддува двигателей внутреннего сгорания. Центробежный компрессор относится к лопаточным машинам, принцип работы которых основан на динамическом взаимодействии высокоскоростного потока газа с лопатками рабочего колеса и лопатками неподвижных элементов машины. По сравнению с объемными лопаточные компрессоры более компактны и относительно просты по конструкции.  [c.113]

Основными параметрами, характеризующими работу центробежного компрессора, являются расход воздуха через компрессор, степень повышения давления и КПД компрессора. Применяемые в настоящее время для наддува двигателей внутреннего сгорания центробежные компрессоры имеют весьма широкий диапазон изменения этих параметров. Так, степень повышения давления меняется от 1,2 в компрессорах с приводом от вала двигателя, используемых в ряде случаев в качестве второй ступени наддува, до 3—3,5 и более в компрессорах форсированных комбинированных двигателей. В одной ступени возможно получение степени повышения давления порядка 10. В настоящее время считают целесообразным ограничивать степень повышения давления в центробежном компрессоре величиной примерно 3,5— 4,0, а при больших ее значениях переходят на двухступенчатый наддув. Окружные скорости рабочего колеса компрессоров современных комбинированных двигателей на периферии превышают 400 м/с, поэтому для обеспечения высокой прочности колеса необходимо применение высококачественных материалов.  [c.114]

Наряду с центробежными компрессорами, в которых воздушный поток движется радиально, для наддува двигателей внутреннего сгорания иногда применялись осевые компрессоры. Б осевом компрессоре движение воздушного потока через компрессор происходит в осевом направлении. Отсутствие резких поворотов в проточной части и высокое аэродинамическое совершенство лопаток рабочих колес и спрямляющих аппаратов обусловливают более высокий КПД осевых компрессоров по сравнению с центробежными. Основной недостаток осевого компрессора — значительное изменение основных показателей работы компрессора при отклонении  [c.115]


Наддув двигателей. При наддуве двигателя воздух (или горючая смесь) не всасывается в цилиндры в результате разрежения, создаваемого в них поршнем, а нагнетается специальным воздушным нагнетателем, который приводится от вала двигателя или от турбины, рабртающей на отходящих газах двигателя. В этих случаях давление наддува Рн больше давления окружающей среды ро-  [c.438]

Практическое ознакомление отечественных специалистов с передовым опытом зарубежного двигателестроения имело несомненное положительное значение. Но, осваивая иностранный опыт, советские конструкторы вносили в конструкции двигателей кардинальные изменения, направленные на повышение мощности и высотности двигательных установок и на снижение их удельного веса. Крайне существенными для выбора и обоснования таких изменений явились теоретические и экспериментальные исслеэдования, проведенные Б. С. Стечкиным, В. А. Петровым, М. М. Масленниковым, Н. В. Иноземцевым, Т. М. Мелькумовым и другими, и работы по конструированию центробежных нагнетателей с многоскоростным приводом и систем централизованного наддува двигателей, выполненные ЦИАМ.  [c.345]

Во второй половине 30-х годов конструкторским коллективом В. А. Чижевского была разработана конструкция экспериментального высотного самолета БОК-1, по общей конструктивной схеме близкого к самолету АНТ-25, снабженного двигателем М-34РН (впоследствии замененным двигателем М-34РНБ с турбокомпрессором), впервые оборудованного герметизированной кабиной и предназначавшегося для полетов на высотах до 14 100 м. В 1940 г. прошли летные испытания аналогичные по конструктивному исполнению высотный самолет-разведчик БОК-11, оборудованный двигателем М-34ФРН (с двумя компрессорами), сохранявшим постоянство мощности на высотах полета до 8000 м, и высотный самолет -разведчик дальнего действия БОК-15, снабженный дизельным двигателем АЧ-40. В 1941 г. работы по одномоторным высотным самолетам дальнего действия были прекращены вследствие их невысокой боевой эффективности. Значение их для последующего развития авиационной техники ограничилось отработкой конструкций герметизированных кабин, турбокомпрессорных установок для наддува двигателей и т. п. Более заметные практические успехи были достигнуты тогда же в проектировании и постройке тяжелых самолетов-бомбардировщиков дальнего действия.  [c.357]

Наддув. Двигатель с наддувом был осуществлён в виде опытной модели дизеля Зим-меринг. При умеренном наддуве, почти не повышая температурного режима и специально не усиливая конструкцию отдельных узлов двигателя, можно значительно повысить литровую мощность, причём габаритные размеры моторного агрегата возрастают незначительно.  [c.189]

Наддув двигателя производится при помощи двух турбокомпрессоров 6 (фиг. 20) с общей пр изводительностью 68 м /мин при Рк— >5 Kzj M . Максимальное число оборотов турбокомпрессора = 28 000 об/мин. Выхлопные газы от каждой пары цилиндров по отдельному рукаву подходят к кожуху турбины. Таким образом, к каждой турбине подходят четыре рукава 5 (фиг. zO).  [c.210]

Как показывают опыты, наддув двигателей следует включать после достижения 0,75 (фиг. 23). При меньших нагрузках двигатель работает экономичнее без наддува. При более высоких нагрузках двигатель с наддувом работает так же экономичнр, как и двигатель соответствующей мощности без наддува. При одинаковом избытке воздуха в двигателях с наддувом тепловой процесс протекает при  [c.511]

Г лава XVIII посвящена тепловозным двигателям, их характеристикам при переменном режиме наддува двигателя, центробежным регуляторам, а также особенностям динамики тепловозных машин.  [c.744]

Первое практическое применение газотурбинные установки получили в 30-х годах XX в. для наддува двигателей внутреннего сгорания и парогенераторов типа Велокс . Газовые турбины этих установок имели небольшую мощность и работали при низких температурах газов. Поэтому требования к аэродинамическому совершенству проточных частей и к жаропрочным свойствам металла были относительно невысокими.  [c.5]

Центробежные нагнетатели в авиации употребляются для наддува двигателей, для получения высотности и, наконец, для поддувки двухтактных машин.  [c.99]

Кроме повышения оборотности, существует и другой не менее надежный и эффективный метод форсирования мощности двигателя. Я имею в виду наддув двигателей, получивший широкое распространение в авиационной промышленности. В автомобильном двигателестрое-нии метод наддува пока практически не применяется, что, по-видимому, связано с его относительно высокой стоимостью. Тем не менее не исключено, что в будущем повышение мощности путем наддува займет в автомобильном двигателестроении такое же важное место, какое теперь занимает увеличение оборотности двигателя.  [c.359]

Весьма эффективным средством увеличения мош,ности является наддув двигателя, под которым понимается подача свежего заряда в цилиндр двигателя поддавлением, превышающим атмосферное. Масса свежего заряда, поступающего в данный объем цилиндра двигателя, при наддуве больше, следовательно, больше количество сжигаемого топлива и поэтому больше мощность двигателя. Для подачи свежего заряда в цилиндр при наиболее распространенных способах на,вдува двигатель снабжается специальными нагнетателями. Различные типы нагнетателей (компрессоров), служащих для наддува и продувки двигателей, были рассмотрены в разделе I второй части.  [c.236]

Существуют следуюпгие основные системы наддува двигателей наддув с механическим приводом нагнетателя от вала двигателя или от электродвигателя газотурбинный наддув комбинированный наддув.  [c.236]

Свободнопоршневой генератор газа состоит из двухтактного двигателя с высоким наддувом, служащего для привода компрессора, и поршневого компрессора, предназначенного для сжатия воздуха, идущего на продувку и наддув двигателя. Кроме того, СПГГ обычно содержит еще воздушный буфер, выполняющий функции аккумулятора  [c.8]

Технические данные турбокомпрессора ТКР-ПН, выпускаемого для наддува двигателя 6ЧН12/14, приведены ниже (фиг. 183, 184).  [c.235]

Технические данные турбокомпрессора ТКР-18Н, выпускаемого для наддува двигателей 12ЧН18/20, приведены ниже.  [c.240]


На фиг. 435а показан двигатель с описанной системой наддува. Двигатель шести-цилиидровый с противоположно-движущимися поршнями. Основной продувочный насос — поршневого типа с приводом от коленчатых валов. Насос — двойного действия. Газовая турбина связана с верхним коленчатым валом при помощи передачи цилиндрическими шестернями.  [c.385]

Наддув двигателя осуществляется от двухскоростного приводного центробежного компрессора. На первой передаче, которая включается на земле или на больших высотах, передаточное отношение составляет 7,14 на второй передаче, включаемой на высоте 3000—4000 м, оно равно 10. Наличие двух ступеней позволяет регулировать давление наддува в зависимости от плотности атмосферного воздуха. Более точная регулировка давления наддува осуществляется специальным автоматом, воздействующим на дроссельную заслонку, располс жениую на входе в компрессор. Переключение передач в компрессоре осуществляется двумя фрикционными муфтами с гидравлическим управлением и планетарным редуктором.  [c.285]


Конструкция и принцип работы механического компрессора двигателя

Механический наддув — это один из способов увеличения мощности двигателя. Основным элементом такой системы является механический компрессор. Это устройство, приводимое в действие вращением коленчатого вала. Установка механического нагнетателя может прибавить мощности двигателю до 50%. При наддуве воздух засасывается через воздушный фильтр, сжимается, а затем направляется во впускной коллектор двигателя внутреннего сгорания, что способствует увеличению мощности последнего.

Как работает механический нагнетатель

В современной автомобильной промышленности используются несколько типов систем механического наддува, каждая из которых имеет свои особенности в конструкции и принцип работы.

Конструкция компрессора

Механический нагнетатель состоит из следующих компонентов:

  • компрессор;
  • интеркулер;
  • дроссельная заслонка;
  • перепускная заслонка трубопровода;
  • воздушный фильтр;
  • датчики давления наддува;
  • датчики температуры воздуха во впускном коллекторе.

Механический нагнетатель управляется дроссельной заслонкой, которая открывается на высоких оборотах. В этом случае заслонка трубопровода закрывается, и весь воздух поступает во впускной коллектор двигателя. Когда двигатель работает на малых оборотах, дроссельная заслонка открывается под небольшим углом, а перепускная заслонка в трубопроводе полностью открыта, позволяя некоторой части воздуха возвращаться в компрессор.

Воздух из нагнетателя проходит через промежуточный охладитель (интеркулер), который снижает температуру сжатого воздуха примерно на 10 ° C и способствуя, тем самым, более высокой степени сжатия.

Какие бывают виды приводов компрессора

Каким образом передается крутящий момент от коленчатого вала к механическому компрессору? Существует несколько вариантов:

  • Прямой привод. Установка компрессора осуществляется непосредственно на фланец коленчатого вала двигателя.
  • Ременная передача. Усилие передается через ремень. Разные производители используют разные типы ремней (плоские, V-образные или зубчатые). Ременные системы имеют короткий срок службы, так же в процессе эксплуатации может наблюдаться проскальзывание ремня.
  • Цепной привод. Он работает по принципу ременной передачи.
  • Зубчатая передача (шестеренчатая). Недостаток такой системы — повышенная шумность и большие габариты.

Типы компрессоров

Каждый вид компрессора имеет свои рабочие характеристики. Всего существует три типа механических нагнетателей:

  • Центробежный. Самый популярный вид механического нагнетателя. Основным рабочим элементом системы является крыльчатка, которое по конструкции аналогично компрессорному колесу турбины. Оно вращается со скоростью около 60 000 об / мин. В этом случае воздух всасывается в центр крыльчатки компрессора с высокой скоростью и низким давлением. Пройдя через лопатки компрессора, воздух поступает во впускной коллектор, но уже на малой скорости и под высоким давлением. Этот тип наддува используется вместе с турбинами для устранения эффекта турбо-задержки.
  • Винтовой. Представляет собой систему из двух вращающихся конических винтов — шнеков. Воздух, попадая в более широкую часть, проходит через камеры компрессора и за счет вращения сжимается и выталкивается во впускной коллектор. В основном такие системы используются на спортивных и дорогих автомобилях, так как их изготовление достаточно сложно .Это достаточно эффективная система.
  • Кулачковый. Один из первых видов механических «воздуходувок». Конструктивно он состоит из двух роторов со сложным профилем поперечного сечения. Оси вращения роторов соединены двумя одинаковыми шестернями. При вращении системы воздух перемещается между стенками корпуса и кулачками, тем самым выталкиваясь во впускной коллектор. Недостатком этой системы является создание избыточного давления, которое вызывает сбои в работе наддува. Чтобы этого избежать, в кулачковой конструкции нагнетателя предусмотрена муфта с электрическим приводом для отключения компрессора или байпасный клапан.

Механический наддув довольно часто используются на автомобилях марок Cadillac, Audi, Mercedes-Benz и Toyota. При этом кулачковые и винтовые компрессоры в основном устанавливаются на мощные спортивные автомобили с бензиновыми двигателями, а центробежные компрессоры являются частью системы двойного наддува для дизельных двигателей.

Сильные и слабые стороны механического нагнетателя

По сравнению с турбонагнетателем механический нагнетатель приводится в движение не выхлопными газами двигателя, а вращением коленчатого вала. Это означает, что с одной стороны увеличивается мощность двигателя, а с другой создается дополнительная нагрузка, которая в зависимости от типа компрессора забирает до 30% мощности двигателя. Еще один недостаток системы — высокий уровень шума системного привода.

Использование механического наддува на более высоких скоростях приводит к более быстрому износу деталей двигателя, поэтому они должны быть изготовлены из высокопрочных материалов.
Основным преимуществом механического привода является невысокая стоимость конструкции (по сравнению с турбонаддувом), простота установки и быстрая реакция системы на увеличение оборотов двигателя. Таким образом, системы с винтовыми и кулачковыми компрессорами обеспечивают высокую динамику разгона, а центробежные нагнетатели — стабильную работу двигателя на высоких оборотах.

Механический наддув может также управляться отдельным электродвигателем без подключения к коленвалу двигателя. В этом случае можно избежать потери мощности двигателя.

Избыточное давление. Всё про наддув

Наддув — самый доступный и простой способ увеличить мощность двигателя внутреннего сгорания.

Теория проста: чтобы выросла отдача, нужно сжечь как можно больше топлива. Но для его горения необходим ещё и воздух. И если «налить» в цилиндры сколько угодно топлива проще простого (качай себе и качай мощным насосом), то с воздухом дело обстоит сложнее — для него тоже нужен своеобразный насос. И роль такого агрегата в двигателях играют нагнетатели. Вне зависимости от его типа, оснащённый наддувом двигатель обладает большей мощностью и крутящим моментом, чем аналогичный атмосферник. Почему это возможно, какие существуют конструкции и какие побочные эффекты имеет наддув? Рассказываем в нашей справке по современным системам.

Впервые техническая идея загнать в автомобильный двигатель больше воздуха с помощью энергии вращения коленвала пришла в голову Готтлибу Даймлеру в 1885 году, а в 1905 году швейцарец Альфред Бюхи получил патент на аналогичную систему, работающую уже от энергии выхлопных газов. Но до реализации этих решений в автомобилях прошло некоторое время — первый серийный легковой автомобиль «наддули» с помощью приводного нагнетателя в 1921 году — им стал Mercedes-Benz. Турбонагнетатели же стали получать распространение в авиационных двигателях 1920-х годов, так как там было особенно важно справляться с потерей мощности по мере набора высоты, где плотность воздуха становится меньше. Вскоре газовые нагнетатели нашли своё применение и в грузоперевозках — прибавка в крутящем моменте оказалась для дизелей судов и локомотивов очень кстати. Первой легковушкой с турбонагнетателем под капотом стало купе-хардтоп Oldsmobile Jetfire с 215-сильным V8.

Точно такой же мотор Oldsmobile без турбины выдавал в то время 155-195 сил в зависимости от степени форсировки. Но важнее другое: тяга даже 195-сильного атмосферника ограничивалась 300 Н·м, тогда как турбокупе выдавало все 410. Если у атмосферных моторов существует практически прямая зависимость между объёмом камеры сгорания и максимальным крутящим моментом, то наддувные агрегаты такого недостатка лишены — по-разному конфигурируя систему, инженеры могут добиваться очень впечатляющей прибавки тяги при неизменном объёме

Вскоре турбина появилась и на Chevrolet Corvair Corsa (расположенный сзади 6-цилиндровый оппозитник воздушного охлаждения с наддувом был лишь одним из необычных технических решений этой экзотической машины), а после подоспели и европейцы в лице Porsche (911 Turbo в 1975 году) и Saab (99 Turbo 1978 года). А вот с наддувным дизельным седаном всех опередил производитель из Старого Света — в 1978 году появилась версия 300SD лимузина Mercedes-Benz W116. Вскоре дизельные автомобили приобрели в Европе огромную популярность, а турбонаддув стал неотъемлемой частью конструкции легкового дизеля. Существуют и грузовые дизели с приводными нагнетателями, но по ряду технологических причин эта схема не получила широкого распространения в автомобилестроении.

Избыточное давление, которое создаёт нагнетатель, потому так и называется, что оно больше окружающего нас атмосферного. Иногда давление наддува указывается в абсолютных величинах: в таком случае рабочее пиковое давление системы в 1,6 бара будет означать 0,6 бара избытка. Чаще всего в разговорах и литературе упоминается именно значение избытка. На фотографии монитор Subaru Forester (читайте соответствующий тест-драйв) показывает давление избытка: поскольку на холостых оборотах в камере сгорания разрежение, то давление меньше атмосферного, и на дисплее указано отрицательное значение

К механическим видам наддува (обычно под наддувом понимаются именно механические схемы) относят приводной компрессор и турбокомпрессор. Приводной нагнетатель, как правило, располагается вдоль блока рядного двигателя или в развале V-образного блока и приводится от коленвала с помощью ременной передачи, прессуя воздух парой винтовых роторов или крыльчаткой. Турбина же приводится в действие вылетающими из цилиндров в коллектор под большим давлением выхлопными газами и утрамбовывает воздух на впуске крыльчаткой. Обычно турбина находится сразу за выпускным коллектором или непосредственно интегрирована в него — как, например, в современных моторах группы Volkswagen.

На оборотах двигателя выше 3500 в бампере Porsche Panamera GTS открываются боковые воздуховоды, и двигатель получает больше воздуха. А на высоких скоростях благодаря рассчитанной форме и сечению патрубков во впускной системе создаётся эффект увеличенного давления воздуха, что позволяет считать такую систему разновидностью наддува Отдельно можно выделить эксперименты производителей с электротурбинами. Они не отбирают мощность у двигателя и лишены газовой турбоямы, так как колесо компрессора вращает электромотор. Впрочем, к этой схеме у производителей до сих пор остаётся немало вопросов, и подробнее об этом можно прочитать в нашем материале Audi завтрашнего дня. Кроме механического, существует ещё безагрегатный наддув. Так называют повышение давления на впуске с помощью сочетания скорости движения и особой формы и размеров впускных патрубков. Избыточное давление такого типа является мерой дополнительного форсирования преимущественно спортивных атмосферных двигателей. Примером заводской реализации такой схемы может служить впускной тракт хэтчбека Porsche Panamera в особой версии GTS.

Конструкция турбонагнетателя проста: на едином валу находятся две крыльчатки, каждая из которых вращается в своём корпусе, называемом в народе «улитка». Одну крыльчатку (в так называемой горячей улитке) вращает поток выхлопных газов, а связанная с ней единой осью вторая крыльчатка в холодной части крутится и трамбует во впускной тракт забираемый с улицы воздух. Таким образом, чем выше обороты работы двигателя, тем больше он вырабатывает газов и тем больше воздуха впоследствии получает. Идеальный замкнутый круг с бесконечным потенциалом повышения мощности?

Современные турбокомпрессоры имеют практически нелимитированный потенциал увеличения мощности двигателя. Ограничителем обычно выступает механическая прочность вращающихся и движущихся деталей силового агрегата, а также баланс итоговых характеристик мотора и здравый смысл. Ввиду меньшего КПД и ряда технических особенностей приводные нагнетатели позволяют увеличивать мощность не так эффективно Но всё не так просто. Во-первых, шатунно-поршневая группа каждого мотора рассчитана на определённые нагрузки, и превышение их приведёт к разрушению двигателя. Во избежание бесконтрольного роста давления наддува в горячей части нагнетателя предусмотрена специальная калитка-клапан под названием «вейстгейт» (в переводе — клапан для излишков), которая открывается с помощью пневматики или сервопривода при достижении пикового расчётного давления в системе. В результате «лишние» газы просто идут в обход турбинного колеса прямиком в выхлопной тракт и не раскручивают компрессор сверх меры. Как правило, в моторах есть и ещё одна страховка от «передува» — при превышении критического порога давления блок управления двигателем ограничивает увеличение подачи топлива на безопасной отметке, и мотор перестаёт производить слишком много выхлопных газов.

Но в защите нуждается не только поршневая группа, но и сам турбокомпрессор. Представьте, что он уже «надул» много сжатого воздуха во впускной трубопровод, а водитель внезапно закрыл дроссель — ударившись в такое препятствие, сжатый воздух направится искать себе другую дорогу и обязательно найдёт её в противоположном направлении, где находится только что спрессовавшее его колесо компрессора. Возникающая в таком случае на крыльчатку нагрузка называется помпаж и воздействует на турбонагнетатель самым деструктивным образом. Для стравливания излишнего воздуха в районе впускного патрубка или интеркулера в систему встраивается ещё один перепускной клапан, который отправляет воздух обратно на впуск перед турбокомпрессором (тогда клапан называется байпасным) или в атмосферу (блоу-офф-клапан). Последняя разновидность «перепускников» как раз и порождает чихающие, свистящие и шипящие звуки тюнингованных автомобилей с турбонаддувом, которые можно услышать на улицах.

С понятием «турбоямы» не нужно путать понятие «турболаг». Если первое — это диапазон оборотов двигателя, где турбосистема не способна эффективно работать, то второе — время задержки системы в ответ на нажатие педали газа с целью получить генерируемую турбокомпрессором дополнительную мощность. Природа лага состоит в том, что дополнительный воздух необходимо всосать, сжать и прогнать по трубопроводу системы впуска до самой камеры сгорания. По конструктивным и компоновочным причинам весь впускной тракт иногда получается достаточно длинным, и на его прохождение воздуху требуется то самое время, которым измеряется задержка под названием «турболаг» Ещё одна проблема уже эксплуатационного характера заключается в том, что на малых оборотах поток газов слишком мал, чтобы раскрутить вал турбокомпрессора для создания сколько-нибудь существенного давления и получения дополнительной мощности — в народе такая ситуация называется «турбоямой». Поэтому конструкторы систем наддува тщательно подбирают размеры «холодной» и «горячей» крыльчаток в зависимости от объёма двигателя и желаемого характера тяги. Например, в спортивной Audi Sport quattro турбина имеет огромную горячую часть и небольшую холодную, поэтому, чтобы раскрутить такой нагнетатель, нужно выйти на высокие обороты (3500-4000 об/мин и выше), но зато потом следует очень резкий бескомпромиссный подхват. А в современном гражданском Mini Countryman (мы совсем недавно ездили на обновлённой модели) с небольшим моторчиком объёмом 1,6 литра нагнетатель маленький, но зато легко раскручивается с минимальных оборотов, что удобно в городских условиях.

Благодаря универсальности и простоте твинскролльные турбокомпрессоры получают всё большее распространение в легковом автомобилестроении Чтобы понизить порог наддува, когда турбина создаёт избыточное давление, и сократить зону турбоямы, создатели турбокомпрессоров используют различные конструктивные ухищрения. Самые распространённые из них — крыльчатка с изменяемой геометрией и твинскролльная горячая «улитка». TwinScroll предусматривает два параллельных, но разного размера и формы канала для выхлопных газов в едином корпусе улитки — газы в каждый из каналов попадают от своей группы цилиндров, но крутят единое турбинное колесо. Его лопатки выполнены таким образом, что одинаково эффективно воспринимают импульсы из обоих каналов.

Наибольшее распространение нагнетатели с изменяемой геометрией получили на дизельных моторах, в бензиновых агрегатах одними из первых массово подобную конструкцию применили создатели Porsche 911 Turbo предыдущего поколения 997 Из-за различной геометрии каналов и достигается хорошая тяга одновременно и на низких, и на средних и высоких оборотах, а отсутствие столкновения и завихрения потоков газов от разных групп цилиндров улучшает газодинамические свойства системы. Турбины же с изменяемой геометрией имеют специальные, приводимые актуатором, подвижные лопатки-заслонки, которые в разных положениях позволяют менять форму газового канала в горячей улитке (упрощённо — в разное время имитируют маленькую и большую турбину) и таким образом максимально эффективно в конкретный момент времени направлять на турбинное колесо поток выхлопных газов.

Принцип работы турбины с изменяемой геометрией можно изучить на примере дизельного нагнетателя компании Holset

В отличие от питающегося «бесплатными» выхлопными газами турбокомпрессора, механический нагнетатель приводится в движение энергией вращающегося коленвала. Соответственно, чтобы получить дополнительную мощность, двигатель сначала часть мощности отдаёт, поэтому КПД такого решения ниже. Но, тем не менее, производители не спешат отказываться от приводных нагнетателей, потому как они наделяют автомобиль моментальной тягой с самых низких оборотов — понятие турбоямы к приводным компрессорам практически неприменимо. Конструкция предусматривает ременную, цепную или реже передачу иного типа, которая вращает вал нагнетателя от коленвала мотора. Аналогично турбокомпрессору, нагнетатель прессует воздух и отправляет его под избыточным давлением во впускной коллектор. Наиболее похожий на турбокомпрессор вид приводного нагнетателя — центробежный. Он трамбует воздух аналогичным турбинным колесом, но приводится оно не выхлопными газами, а механически.

Механический нагнетатель типа Roots

Приводной винтовой компрессор типа Lysholm

Эта анимация компании Eaton – одного из ведущих производителей компрессоров Roots-типа — объясняет принцип работы такого нагнетателя Но самым первым компрессором, который применил в автомобилестроении Готлиб Даймлер, стал агрегат типа Roots, названный по имени своих создателей-братьев — изначально они разработали устройство для промышленных нужд. Такой нагнетатель представляет собой собранные в едином корпусе и находящиеся своими лопастями-кулачками в зацеплении два продолговатых ротора, которые своим вращением по направлению друг к другу захватывают и прокачивают воздух во впускной коллектор.

Третья разновидность компрессоров — винтовые типа Lysholm — перекачивают и сжимают воздух с помощью сверлообразных несимметричных роторов, которые находятся в зацеплении. Благодаря уменьшающимся по направлению к выходу из компрессора воздушным камерам между шнеками осуществляется внутреннее сжатие воздуха, что обеспечивает большую в сравнении с Roots-нагнетателями эффективность системы. Аналогично газотурбинным схемам, развиваемое механическими компрессорами давление регулируется с помощью клапанов или муфт.

Турбонагнетатель? Нет, это третья разновидность приводного компрессора, который в качестве нагнетающего элемента использует улитку с крыльчаткой внутри, как у классической газовой турбины

Как только системы наддува стали использоваться массово, инженеры стали думать над повышением их эффективности. Для борьбы с турбоямой, помимо вышеупомянутого твинскролльного наддува, используется схема с двумя последовательно дующими нагнетателями: это может быть маленькая турбина для низких оборотов в сочетании с большой для средних и высоких (так называемая архитектура твинтурбо; пример — Subaru Legacy в кузове BE/BH) или симбиоз приводного компрессора для низких оборотов и турбокомпрессора для средних и высоких. Последним прославилась компания Volkswagen со своим мотором 1.4 Twincharger, который обеспечивал плавный рост давления, но вместе с тем из-за сложности конструкции доставлял немало хлопот по части надёжности и обслуживания.

Это двигатель Volkswagen 1.4 TSI Twincharger. Разработчики умудрились скомпоновать в небольшой «четвёрке» механический нагнетатель (слева от блока цилиндров на изображении) и газовую турбину (справа от блока) Однако две турбины одного мотора не обязательно отличаются размерами и работают последовательно: во многих современных наддувных моторах цилиндры условно делятся на две группы, и каждая из них обслуживается своим собственным нагнетателем. Однако инженерные изыскания порой порождают и более экзотические варианты: например, в новом трёхлитровом супердизеле BMW (381 л.с./740 Н•м) — три турбины! На низких оборотах работает первая маленькая турбина с изменяемой геометрией, на средних оборотах в дело включается большой нагнетатель, а на высоких прокачивать воздух в цилиндры помогает третий небольшой турбокомпрессор. Результат — водитель трёхлитровой машины ощущает под капотом литров так пять, да ещё и как будто с механическим нагнетателем, практически без турбоямы и лага. Ещё одна схема, пока не нашедшая серийного применения — электрическая турбина в качестве помощника обычному газовому компрессору, мы упоминали о ней выше.

На этой анимации компании BMW представлена схема работы нагнетателей первого в мире легкового двигателя с тремя турбинами

Так как воздух в процессе прохождения через нагнетатель спрессовывается и соприкасается с горячими деталями агрегата, он нагревается и сам. Тёплый воздух имеет меньшую плотность, а порог разрушающей мотор детонации при использовании горячего воздуха становится ниже. Вот почему можно ощутить, что в жару автомобиль с наддувным двигателем «не едет» — в условиях недостатка воздуха (по сравнению с идеальными условиями) система управления двигателем готовит меньше горючей смеси, ограничивая до нужного соотношения и подачу топлива. Поэтому для охлаждения воздуха между нагнетателем и впускным коллектором в системах наддува предусмотрен промежуточный охладитель или, иными словами, интеркулер. Он представляет собой теплообменник (то есть радиатор), через который по пути в камеру сгорания проходит весь нагнетаемый воздух. По конструкции интеркулеры делятся на системы вида: «воздух-воздух» и «воздух-вода».

Двигатель Subaru с интеркулером верхнего расположения. Для большей эффективности на некоторых модификациях WRX STI для внутреннего рынка установлена система водяного орошения интеркулера. По нажатию кнопки в салоне кулер через установленные на нём форсунки омывается водой из находящегося в багажнике специального бака

Двигатель BMW с интеркулером фронтального расположения

Из-за заднемоторной компоновки интеркулеры Porsche 911 Turbo находятся по бокам в задних крыльях. Первые дешевле в производстве, легче и в целом компактнее, но менее эффективны и дают меньшую гибкость в компоновке моторного отсека. Охлаждение наддувного воздуха осуществляется в них посредством попадающего на рёбра интеркулера набегающего воздуха через воздухозаборники переднего бампера (фронтальное расположение, например, у Mitsubishi Lancer Evolution и вообще у большинства современных автомобилей) или капота (Subaru Impreza WRX, Toyota Caldina GT-T и прочие автомобили с «ноздрёй» над мотором). Интеркулер же типа «воздух-вода» остужает воздух с помощью циркулирующей по встроенному контуру жидкости, имеющей отдельно вынесенный радиатор охлаждения. Такая система обеспечивает меньшую длину впускного тракта, а значит, и меньший турболаг, а также позволяет более гибко выбирать месторасположение кулера. Среди её минусов — повышенная сложность и масса конструкции, а соответственно и цена такого решения.

Миф 1. Наддув снижает надёжность, турбины всё время ломаются Пожалуй, это миф номер один, и доля правды в нём есть. Это связано с тем, что двигатель с наддувом имеет более сложную конструкцию, больше деталей и сложнее в проектировании, а значит — при прочих равных, — шанс, что в нём что-то сломается, выше, чем в случае с атмосферником. Однако конструктивные просчёты случаются и в безнаддувных моторах, поэтому удачная модель турбодвигателя не уступит в надёжности другому такому же удачному атмосфернику. Конечно, внутренние нагрузки в наддувных моторах выше, но каждый двигатель проектируется инженерами с учётом этих особенностей, поэтому все необходимые детали турбо- или компрессорного мотора изначально усилены. Сам по себе нагнетатель достаточно надёжен, но вследствие неправильной эксплуатации или конструктивных просчётов может выйти из строя, как и любая другая деталь. Даже если это случилось, то специализированные сервисы способны отремонтировать агрегат: для большинства современных моделей выпускаются запасные части и ремкомплекты, а точные измерения, необходимые для ремонта нагнетателя, вполне доступны квалифицированным мастерам. Резюме по мифу номер один: нагнетатель не является каким-либо особенно слабым звеном наддувного двигателя, а если его поломка и произошла, этот узел вполне поддаётся восстановлению или замене.

Миф 2. Автомобиль с наддувом потребляет больше топлива Отчасти верно, но это касается, в основном, механических нагнетателей. Современные же турбированные двигатели создаются в основной своей массе именно с целью экономии топлива, так как в экономичном режиме вождения мотор с меньшим, чем у атмосферника сопоставимой мощности, рабочим объёмом потребляет меньше топлива, а в случае необходимости наддув даёт возможность распоряжаться существенной мощностью. Иными словами, много топлива расходуется только тогда, когда это действительно необходимо в соответствии с условиями движения. Повсеместный переход производителей на турбомоторы — лишнее тому подтверждение, ведь такое решение позволяет выпускать автомобили с более скромными показателями среднего расхода, а значит, и платить меньше обусловленных экологическим законодательством пошлин. Резюме по мифу номер два: современный автомобиль с турбонаддувом — это экономично.

Миф 3. Чем больше турбина, тем лучше Размер нагнетателя — понятие, которое невозможно описать каким-то одним параметром. Это всегда совокупность размеров деталей компрессора, которые определяют его характеристики и совместимость системы с конкретным двигателем. В случае с турбокомпрессором основными и определяющими являются размеры и форма холодной и горячей частей, а производительность механического нагнетателя определяется габаритами винтовых элементов и соотношением диаметров приводных шкивов. Простой пример: если заменить турбину на автомобиле гольф-класса на узел от более объёмного мотора, то производимых компактным двигателем выхлопных газов может не хватить для эффективного раскручивания турбинного колеса, а значит, и компрессорная «холодная» крыльчатка не создаст нужного давления в системе. Некоторые турбокомпрессоры большего размера всё-таки помогут существенно увеличить мощность небольшого мотора, но доступна она будет только в узком диапазоне высоких оборотов, что удобно для трассы, но оборачивается чудовищной турбоямой в городе. Резюме по мифу номер три: размер нагнетателя требует инженерных расчётов и должен соответствовать параметрам двигателя и планируемым условиям эксплуатации автомобиля.

Миф 4. Владеть автомобилем с наддувом хлопотнее, чем обычным В последние годы турбированные двигатели получили такое распространение, что далеко не все владельцы в курсе самого факта наличия нагнетателя под капотом. Разве владелице ярко-оранжевого Audi Q3 интересно, что шильдик TFSI на крышке багажника означает турбомотор? В эксплуатации современные автомобили с наддувом не требуют никаких особенных действий — нужно просто заливать соответствующее качественное топливо (не ниже 95 бензина в большинстве случаев и строго 98 для отдельных высокофорсированных моделей) и вовремя проходить регламентное обслуживание. Автомобили 10-20-летней давности с наддувными двигателями требовали более частого техобслуживания, однако сейчас у большинства производителей наддувные версии требуется загонять на сервис с той же регулярностью, что и атмосферные. Это стало возможным благодаря совершенствованию конструкции моторов, а также появлению новых видов масел. Старые автомобили с наддувными моторами также боялись резкого глушения после «отжига» — детали турбины продолжали в таком случае вращаться по инерции, а подача масла уже прекращалась, что вело к повышенному износу. Для защиты механизма либо применялось устройство под названием турбо-таймер, которое давало поработать двигателю минуту-другую и затем автоматически его глушило, либо водитель сам ждал пару минут, прежде чем остановить мотор после активной поездки. Современные двигатели ничего подобного не требуют, так как система смазки турбокомпрессора рассчитана на такие условия. К примеру, на турбомоторах Volkswagen предусмотрена отдельная помпа, которая прокачивает через нагнетатель холодный антифриз после выключения зажигания. Резюме по мифу номер четыре: следите за качеством топлива и вовремя посещайте сервис — и можете не вдаваться в детали конструкции. Впрочем, это справедливо для любого автомобиля.

Миф 5. Наддув включается и отключается на определённых оборотах Нагнетатель — это агрегат, который, как правило, всегда активен с самого момента запуска двигателя. Равно как с первым оборотом коленвала начинают вращаться приводящие механический компрессор шкивы, так даже на холостых оборотах мотор выделяет выхлопные газы, которые через горячую крыльчатку слегка вращают ось турбокомпрессора. Поэтому нагнетатель работает всегда, но вот быть эффективным начинает только с определённого момента. Порог, с которого нагнетатель создаёт избыточное давление, в каждой системе индивидуален, а рост давления может происходить быстро или медленно, но всегда относительно плавно. Резюме по мифу 5: нагнетатель не работает по принципу «вкл-выкл», а степень его участия в наполнении цилиндров воздухом зависит от оборотов двигателя. Исключение составляют системы, где присутствует более одного нагнетателя — в таких схемах обычно предусмотрено электронное управление потоками воздуха, и в зависимости от условий работы мотора специальные актуаторы и клапаны задействуют в нужный момент тот или иной компрессор.

В настоящее время наблюдается всеобщая тенденция перехода на твинскролльные турбонагнетатели вкупе с уменьшением рабочего объёма двигателей. Эта схема практически не имеет недостатков: такой турбокомпрессор выходит на рабочее давление уже на низких оборотах и успешно «дует» вплоть до высоких. Таким образом, он успешно заменяет приводной нагнетатель в деле обеспечения тяги с самых низов, но при этом имеет более высокий коэффициент полезного действия и все преимущества традиционной турбины. А ровный, без «турбоям» и ярких подхватов, характер тяги делает вождение автомобилей с такими двигателями простым занятием для самого широкого круга водителей. Иной раз даже мы, откатавшие сотни разных машин журналисты, не сразу можем распознать наличие под капотом турбины. Но и приводные нагнетатели не потеряли окончательно своей актуальности. Во-первых, верность им сохраняют производители, для которых беспощадная тяга с самых низов является фирменной чертой характера. Типичный пример — компания Jaguar, чей 5-литровый V8 с механическим нагнетателем своей тягой и звуком пленил немало водительских сердец. Хотя тенденция неумолима: даже компания-первопроходец в области легкового приводного наддува, Mercedes-Benz, в последние годы совершила резкий переход на более эффективную турбокомпрессорную схему.

Это турбодвигатель Maserati Quattroporte нового поколения, на котором мы поездили в прошлом году. Maserati делала наддувные моторы ещё в прошлом веке, и сейчас после некоторого периода атмосферников вновь вернулась к этой схеме в числе многих других производителей. А во-вторых, компрессоры хороши для использования в… гибридах! Когда нужно состыковать тягу двигателя внутреннего сгорания и электромотора, более прогнозируемым и легко настраиваемым нагнетателем по словам инженеров некоторых автомобильных компаний является всё же механический. Один из примеров — Porsche Panamera S E-Hybrid, который мы недавно протестировали вместе с электрокаром Tesla Model S, а о ещё одном примере такой схемы мы расскажем вам уже на следующей неделе. Наконец, уменьшение рабочего объёма двигателя. Именно широкое распространение нагнетателей дало возможность производителям сделать моторы более компактными, лёгкими, малообъёмными и не жертвовать при этом мощностью. Такая игра идёт на всех уровнях легкового автопрома: взять хотя бы моторчики Fiat MultiAir (0,9 л) или Ford EcoBoost (1,0 л) для компактов, ещё недавно смехотворный для гольф-класса объём в 1,2 литра (например, Volkswagen TSI), распространённую ныне формулу «два-ноль-турбо» для автомобилей среднего класса, наддувные трёхлитровые «шестёрки» для больших седанов бизнес-сегмента и турбированные V8, которые пришли на смену атмосферным монстрам V10 и V12 в суперкарах.

Преимущества высокого наддува и высокой степени сжатия

Четырехцилиндровые двигатели мощностью в тысячу лошадиных сил — это сегодняшняя реальность в импортном дрэг-рейсинге. Эта реальность включает в себя передовые технологии принудительной индукции и управления двигателем, которые делают производство энергии легкой частью создания гоночного автомобиля. Современные высокопроизводительные двигатели работают при более высоких уровнях давления наддува и более высоких степенях сжатия, чем когда-либо прежде. Понимание того, как степень сжатия и давление наддува влияют на производительность, является ключом к максимизации производительности вашего уличного или гоночного автомобиля.

Майкл Феррара // Фото DSPORT Staff

ДСПОРТ Выпуск #125

Основные сведения о четырехтактном двигателе

Не вдаваясь в пространные объяснения динамики двигателя внутреннего сгорания, скажу, что двигатель вашего автомобиля — это машина, предназначенная для преобразования энергии. Используя четырехтактный цикл, стратегию смешивания топлива и воздуха и искру для зажигания, первая задача двигателя внутреннего сгорания — преобразовать химическую энергию, хранящуюся в топливе, в тепловую энергию (тепло) посредством процесса, называемого сгоранием.Второй задачей двигателя является преобразование этой тепловой энергии в кинетическую энергию в виде лошадиных сил на маховике. Насколько хорошо двигатель может преобразовывать тепло (тепловую энергию) в мощность (кинетическую энергию), количественно определяется тепловым КПД двигателя. Тепловой КПД двигателя сильно зависит от статической степени сжатия двигателя. [pullquote]БАЛАНС БУСТЕРА И КОЭФФИЦИЕНТА СЖАТИЯ БЫЛ ЗАДАЧЕЙ ИЗГОТОВИТЕЛЕЙ ДВИГАТЕЛЕЙ И НАСТРОЙЩИКОВ В ТЕЧЕНИЕ ЛЕТ[/pullquote]

Степень сжатия

Как следует из названия, степень сжатия двигателя показывает, насколько воздушно-топливный заряд сжимается во время такта сжатия четырехтактного процесса.Степень сжатия 10:1 означает, что воздушно-топливная смесь сжимается от полного объема цилиндра до объема, который составляет примерно одну десятую размера цилиндра. Итак, как степень сжатия двигателя влияет на производительность? При прочих равных условиях двигатель с более высокой степенью сжатия будет обеспечивать более высокий тепловой КПД. Это означает, что двигатель способен превращать больше тепла, выделяемого в процессе сгорания, в лошадиные силы, а не впустую. Проще говоря, более высокая тепловая эффективность означает дополнительную мощность и лучшую экономию топлива.

Сколько дополнительной мощности можно ожидать при более высокой степени сжатия? Эмпирическое правило старой школы гласит, что каждое дополнительное увеличение степени сжатия обеспечивает дополнительные 4 процента мощности. Фактически, более точные прогнозы можно найти на прилагаемой диаграмме DSPORT. Эти значения были получены с использованием уравнения термодинамики для установления теплового КПД двигателя с циклом Отто.

Подставляя это уравнение, мы находим увеличение степени сжатия с 8.От 0:1 до 11,0:1 должно увеличиться мощность на 9,2%. Точно так же снижение степени сжатия с 11:1 до 7,0:1 должно привести к снижению мощности на 12,3%.

Хотите верьте, хотите нет, но двигатели с высокой степенью сжатия конца 60-х годов со степенью сжатия до 12,5:1 имели более высокий тепловой КПД, чем многие современные двигатели. Для двигателя того же размера старый двигатель был бы более экономичным, если бы у него были современные технологии топлива, головки цилиндров и зажигания в сочетании с высокооктановым газом 60-х годов.

Давление наддува

При работе с безнаддувными двигателями высокая степень сжатия является ключом к серьезным уровням мощности. Что касается приложений с принудительной индукцией, хорошо известно, что увеличение давления наддува на турбокомпрессоре подходящего размера увеличивает выработку мощности (по крайней мере, до точки, когда мощность турбонаддува или топливной системы превышена). Конечно, большим недостатком более высоких давлений наддува является то, что также увеличивается вероятность возникновения разрушительной для двигателя детонации.

Баланс наддува и степени сжатия уже много лет является проблемой для производителей двигателей и тюнеров. Если вы возьмете копию одного из руководств по технологии принудительной индукции 60-х годов, вы увидите их решение. Чем выше давление наддува, тем ниже степень сжатия двигателя. Для «серьезных» гонок с принудительной индукцией степень сжатия 7,0: 1 не была редкостью.

К счастью, плохая конструкция коллектора и системы подачи топлива, а также малоэффективные «нагнетатели» не встречаются на многих современных популярных автомобилях с высокими эксплуатационными характеристиками.Сегодня среднестатистический высокопроизводительный четырехцилиндровый гоночный двигатель с турбонаддувом для уличных или полосовых гонок имеет степень сжатия 9,5: 1, а в некоторых случаях степень сжатия достигает 11,5: 1 или более на алкоголе или E85. Современные технологии позволяют нашему поколению гонщиков получить лучшее из обоих миров. Высокое давление наддува с высокой степенью сжатия.

Топливо и детонация

Октан и детонация

Октановое число указывает на вероятность детонации топлива.Стук, слышимый звук, придаваемый состоянию, также носит название детонации. Стук вреден для производительности и надежности, и его необходимо избегать. Стук возникает, когда топливно-воздушная смесь в цилиндре не проходит идеальное сгорание (процесс сгорания). Идеальное горение позволяет смеси равномерно сгорать от свечи зажигания до тех пор, пока не образуется вся воздушно-топливная смесь. В лабораторных условиях идеальное горение будет происходить со скоростью около 100 футов в секунду в вакууме.В турбулентности камеры сгорания двигателя хорошая скорость пламени может достигать 250 футов в секунду. Во время детонации или удара скорость горения увидит сильный взрыв 2000 футов в секунду вместо горения. Скорость горения имеет решающее значение для того, как создается давление в цилиндре. [pullquote]МАКСИМАЛЬНОЕ ДАВЛЕНИЕ В ЦИЛИНДРАХ СТАНДАРТНО ПОВЫШАЕТСЯ ПРИ СООТНОШЕНИИ СЖАТИЯ, ОБЪЕМНОМ КПД, ОПЕРЕЖЕНИИ ЗАЖИГАНИЯ И ДАВЛЕНИИ НАДДУВА[/pullquote]

Сгорание топливовоздушной смеси приводит к повышению давления.В идеале давление в цилиндре нарастает в оптимальное время, достигая пикового давления где-то между 17 и 20 градусами после верхней мертвой точки. Это позволяет давлению в цилиндре производить наибольшую мощность на кривошипе. Когда возникает детонация, цикл давления в цилиндре не происходит, как хотелось бы. Фактически, когда возникает детонация, первоначальный фронт пламени и волна давления от желаемого фронта искрового воспламенения встречаются с нежелательным фронтом самовоспламенения. Когда эти две волны давления встречаются, колебания давления производят «стучащий» звук.Когда возникает детонация, мощность снижается, в то время как шатунные подшипники, шатуны, прокладки головки блока цилиндров и поршни могут получить незначительное повреждение или катастрофический отказ в зависимости от силы детонации. Повышенные температуры обычно возникают из-за детонации, и это может привести к проблемам с преждевременным зажиганием, из-за которых топливовоздушная смесь воспламеняется еще до того, как загорится искра.

Стук или детонация — это не то же самое, что преждевременное зажигание. Преждевременное зажигание происходит, когда топливовоздушная смесь воспламеняется до срабатывания свечи зажигания.Иногда повышенная температура или горячая точка в цилиндре могут вызвать преждевременное зажигание. Хотя и детонация, и преждевременное зажигание вызывают нежелательные ожоги топливовоздушной смеси, разница между ними проста. Детонация или детонация происходит после того, как топливовоздушная смесь начала гореть, преждевременное зажигание происходит раньше. Оба создают нежелательные волны давления, которые влияют на производительность и могут привести к повреждению двигателя.

Потребность в более высоком октановом числе

Если в вашем двигателе наблюдается детонация, вам необходимо использовать топливо с более высоким октановым числом или увеличить угол опережения зажигания.Потребность в топливе с более высоким октановым числом обычно возникает при повышении пикового давления в цилиндрах. Пиковое давление в цилиндре имеет тенденцию к увеличению по мере увеличения степени сжатия, объемного КПД, опережения зажигания и повышения давления наддува.

Общие правила просты. Двигатели без наддува потребуют топлива с более высоким октановым числом, так как либо степень сжатия увеличивается, либо угол опережения зажигания увеличивается. Двигатели с принудительной индукцией реагируют так же, но им также потребуется более высокое октановое число по мере увеличения давления наддува.

Возможно, вы слышали следующее: «не используйте топливо со слишком высоким октановым числом, иначе вы потеряете мощность». Это полуправда. Использование топлива со слишком высоким октановым числом не приведет к снижению мощности двигателя. Однако использование топлива со слишком низкой скоростью горения может привести к потере мощности двигателя. Как правило, популярные компоненты, используемые для повышения октанового числа топлива, также замедляют скорость горения. Конечно, это всего лишь общее правило, и оно справедливо не для всех видов топлива.

Альтернативные виды топлива: метанол и этанол

Метанол использовался в качестве альтернативного гоночного топлива в течение ряда лет.Одним из преимуществ метанола является то, что он может работать на очень богатой смеси без значительного падения мощности. Это может позволить тюнеру использовать топливо в качестве охлаждающего средства при настройке. Однако метанол содержит только около половины энергии, найденной в бензине. К счастью, вы можете сжечь вдвое больше метанола по сравнению с бензином при том же количестве воздуха. В зависимости от того, кого вы спросите, на метаноле можно получить от нуля до десяти процентов больше мощности, чем на гоночном бензине.

Существуют значительные компромиссы для прироста мощности.Во-первых, метанол обладает высокой коррозионной активностью. Вся топливная система должна быть совместима с метанолом, и даже в этом случае у вас, вероятно, возникнут проблемы с коррозией. Промыть систему от метанола лучше всего по завершению гонки. Метанол также требует в два раза больше топлива для доставки и хранения бензина. Ваш топливный элемент или бензобак либо должны увеличиться вдвое, либо вы сможете проехать только вдвое меньше. Форсунки и топливные насосы также должны иметь вдвое большую пропускную способность, чем бензиновые установки.

Этанол или смеси этанола, такие как E85, сейчас более популярны, чем когда-либо, для использования на улицах и в гонках. Этанол — это тот же тип спирта, который содержится в алкогольных напитках. Чтобы избежать юридических проблем, производители смешивают 98-процентный этанол с двухпроцентным бензином для получения E98 или 85-процентный этанол с 15-процентным бензином для получения E85. Преимущество этанола в том, что он не вызывает коррозию, как метанол. Однако он имеет более низкое содержание энергии, чем метанол. Команда Venom Racing стала первым импортным дрэг-рейсером, который использовал этанол в качестве топлива.

Вогнутые поршни (спереди) чаще всего используются в двигателях с более низкой степенью сжатия, а куполообразные поршни (сзади) — в двигателях с более высокой степенью сжатия.

Степень сжатия 17:1 и давление наддува 45psi

Нет. Не пытайтесь построить гоночный двигатель со степенью сжатия 17:1 и давлением наддува до 45 фунтов на квадратный дюйм. Как всегда говорил покойный Джин Хамрич из Centerforce Clutches: «На каждое действие будет противодействие. И если последствия реакции хуже, чем выгоды от действия, вы облажались.Так какова же реакция на повышение степени сжатия при применении принудительной индукции? Сочетание слишком большого наддува или слишком большого сжатия увеличит вероятность детонации.

Итак, какую степень сжатия следует использовать для определенного значения давления наддува? Это зависит в первую очередь от трех факторов. Качество топлива, эффективность промежуточного охладителя и состояние настройки (насколько хорошо настроены топливная кривая и кривые зажигания) двигателя. Двигатели на метаноле или E98/E85 обеспечивают более высокую степень сжатия, чем гоночный бензин.Более совершенные системы промежуточного охлаждения также позволят повысить степень сжатия. Некоторые тюнеры могут оптимизировать двигатель, несмотря на более узкое окно настройки приложения с более высокой степенью сжатия/высокого наддува. В конце концов, разработка двигателя — единственный способ получить ответ на вопрос об идеальной степени сжатия и давлении наддува.

Оглядываясь назад почти 50 лет назад, мы можем сказать, что Chevrolet безраздельно властвовал, когда его сверхмощный малый блок объемом 283 кубических дюйма генерировал беспрецедентные 283 лошадиные силы — одна лошадиная сила на кубический дюйм.Поршни с высокой степенью сжатия, цельнолитой распределительный вал гоночного профиля и пара четырехцилиндровых карбюраторов сделали невозможное возможным. Сегодня высокопроизводительные двигатели Honda и Toyota с регулируемым распределением фаз газораспределения генерируют почти в два раза больше этой цифры с выходной мощностью, приближающейся к 2,0 лошадиным силам на кубический дюйм. Двойные верхние распредвалы, четыре клапана на цилиндр, управляемые компьютером фазы газораспределения, усовершенствования в конструкции головок цилиндров и электронный впрыск топлива являются заслугой достижений в области выходной мощности без наддува.

Технологии постоянно развиваются, и новые правила заменяют старые правила, когда речь идет о производительности. Однако взаимосвязь между степенью сжатия, давлением наддува, детонацией и октановым числом топлива всегда будет оставаться неизменной. Понимание этой взаимосвязи позволяет тюнерам настраивать двигатель для достижения максимальной производительности при заданном качестве топлива.

Турбокомпрессор с внешним компрессором

Турбокомпрессор с внешним компрессором

Ханну Яаскеляйнен

Это предварительный просмотр статьи, ограниченный некоторым исходным содержанием.Для полного доступа требуется подписка DieselNet.
Войдите под номером , чтобы просмотреть полную версию этого документа.

Abstract : Вспомогательный турбонагнетатель может быть обеспечен дополнительным компрессором — либо нагнетателем, либо меньшим турбокомпрессором, — которые используются для обеспечения наддува, когда первичный турбонагнетатель не может этого сделать. Можно использовать два основных типа нагнетателей: нагнетатели с приводом от двигателя и электрические нагнетатели.

Введение

Включение вспомогательного турбонагнетателя непосредственно в турбокомпрессор обеспечило бы изящное компоновочное решение, однако необходимо решить множество проблем, прежде чем эту технологию можно будет использовать в коммерческих целях на рынках двигателей малой, средней и большой мощности.В качестве альтернативы доступны другие подходы, основанные либо на коммерчески проверенных технологиях, либо на технологиях с меньшими проблемами коммерциализации. Большинство из этих подходов основаны на использовании другого компрессора в дополнение к турбонагнетателю. Этот дополнительный компрессор может обеспечить более высокое давление наддува при более низких расходах воздуха и более быструю переходную характеристику давления наддува, чем основной турбокомпрессор. Дополнительный компрессор может представлять собой нагнетатель с механическим или электрическим приводом.Дополнительный турбокомпрессор, хотя и с меньшей пропускной способностью и меньшим моментом инерции, чем основной турбокомпрессор, также может быть использован.

В то время как преимущества интеграции двигателя (например, электродвигателя) в вал турбонагнетателя неоспоримы, аналогичные преимущества можно получить при использовании отдельного компрессора, рис. 1. На этом рисунке показан эффект от использования турбонагнетателя с перепускным клапаном и отдельного центробежного компрессора с электрическим приводом. фиксированного размера на входе (а) или выходе (б) турбокомпрессора.Размер турбонагнетателя позволяет повысить мощность бензинового двигателя объемом 2,0 л SI на высоких оборотах. Красная пунктирная кривая представляет собой базовую мощность аналогичного двигателя, но в котором вместо [3299] используется турбонагнетатель плюс механический приводной нагнетатель. Цель состоит в том, чтобы согласовать выходную мощность базового двигателя при полной нагрузке с комбинацией турбокомпрессора и электрического нагнетателя. 30 бар (3000 кПа) BMEP (240 Нм / л) прототипа базового двигателя указывает на то, что он был значительно уменьшен.

Рисунок 1 .Моделирование эффекта добавления отдельного центробежного компрессора с электроприводом фиксированного размера перед входом (а) и после выхода (б) компрессора турбонагнетателя.

Турбокомпрессор, рассчитанный на повышение мощности на высоких оборотах сильно уменьшенного бензинового двигателя SI. Красная пунктирная кривая представляет базовую мощность с использованием турбонагнетателя и нагнетателя с механическим приводом.

Потребляемая мощность при размещении компрессора фиксированного размера после нагнетания компрессора турбонагнетателя значительно ниже, чем в случае его размещения перед впуском.Основная причина заключается в том, что приведенный или скорректированный массовый расход (т. е. массовый расход, скорректированный с учетом температуры и давления) значительно выше на входе в компрессор турбонагнетателя, чем на выходе; плотность на входе ниже. Для данного фактического массового расхода компрессор, установленный на входе в турбокомпрессор, должен перемещать значительно больший объемный расход и должен работать на гораздо более высокой скорости.

На рис. 2 показана переходная характеристика нагрузки механического нагнетателя и нагнетателя с электрическим приводом, а также их сравнение с более традиционными вариантами [2813] без наддува, турбонагнетателя и нагнетателя.Показан 2,0-литровый бензиновый двигатель с непосредственным впрыском (GDI) с турбонаддувом, такой же 2,0-литровый двигатель GDI с турбонаддувом, также оснащенный нагнетателем с электрическим приводом (VTES), двигатель с турбонаддувом, оснащенный механическим нагнетателем с муфтой, 2,0-литровый двигатель GDI с 2-мя ступенчатый турбонаддув, 3,0-литровый двигатель без сцепления с механическим наддувом и безнаддувный двигатель с регулируемой фазой газораспределения. Серая полоса показывает типичный ряд серийных бензиновых двигателей с турбонаддувом. На рисунке показано влияние различных систем наддува не только на переходную характеристику на низкой скорости, но также и на максимальное значение BMEP на низкой скорости.Как будет показано ниже, на реакцию двигателя с турбонаддувом, оснащенного механическим нагнетателем с муфтой, влияет необходимость управления включением сцепления.

Рисунок 2 . Переходная характеристика бензинового двигателя для нескольких вариантов наддува

Шаг нагрузки от 1 бар BMEP до полной нагрузки при 1500 об/мин

Рисунок 3, основанный на данных Burke [3299] , более подробно показывает влияние нагнетателя с электрическим приводом. Результаты моделируются для 2.0 л двигателя уменьшенного размера, рассмотренного в связи с рис. 1. Базовым является нагнетатель с приводом от двигателя и турбонагнетатель. В других случаях нагнетатель с приводом от двигателя заменяется центробежным компрессором с электрическим приводом. Мощность нагнетателя с электрическим приводом ограничена 12 кВт. Для стандартного переходного процесса входы исполнительного механизма для перепускной заслонки турбокомпрессора и электропитание нагнетателя с электрическим приводом почти мгновенно переключались с настройки низкой нагрузки на настройку высокой нагрузки.Для принудительного переходного процесса вестгейт и электрическая мощность сначала устанавливаются на максимальную реакцию (т. е. вестгейт полностью закрыт и 12 кВт поступает на компрессор с электрическим приводом), чтобы стимулировать переходную характеристику, а затем ослабляются, чтобы избежать перерегулирования. Очевидно, что нагнетатель с электрическим приводом обеспечивает улучшенные характеристики по сравнению с базовой конфигурацией. При частоте вращения двигателя 1250 и выше установка компрессора с электрическим приводом после турбонагнетателя обеспечивает превосходное улучшение производительности, в то время как производительность с компрессором с электрическим приводом в положении перед турбонагнетателем значительно ухудшается.Использование гибкости компрессора с электрическим приводом за счет кратковременного запуска его на полную мощность в сочетании с гибкой работой вестгейта еще больше повышает производительность и приводит переходные характеристики установок до и после турбонаддува примерно на один уровень.

Рисунок 3 . Время от запуска до целевого значения BMEP для бензинового двигателя объемом 2,0 л.

Baseline — это нагнетатель с приводом от двигателя и турбонагнетатель. В остальных случаях нагнетатель с приводом от двигателя заменяется центробежным компрессором с электрическим приводом мощностью 12 кВт.Все результаты смоделированы, кроме базовых условий при 1000 об/мин.

Хотя на рис. 2 показано, что двигатель с турбонаддувом и нагнетателем с электрическим приводом обеспечивает превосходную переходную характеристику по сравнению с нагнетателем с механическим приводом, работать с нагнетателем с электрическим приводом более нескольких секунд сложно. Однако нагнетатели с механическим приводом не сталкиваются с такой проблемой. Таким образом, двигатель с турбонаддувом и нагнетателем с механическим приводом может быть откалиброван для более высоких уровней крутящего момента двигателя в установившемся режиме на низких скоростях.Нагнетатели с электрическим приводом могут быть объединены с турбиной выхлопных газов, приводящей в действие электрический генератор, чтобы сформировать «электрический турбонагнетатель».

###

Турбокомпрессоры с фиксированной геометрией

Турбокомпрессоры с фиксированной геометрией

Ханну Яаскеляйнен

Это предварительный просмотр статьи, ограниченный некоторым исходным содержанием. Для полного доступа требуется подписка DieselNet.
Войдите под номером , чтобы просмотреть полную версию этого документа.

Abstract : В простейшей конструкции турбокомпрессора геометрия турбины и компрессора фиксирована, а давление наддува полностью определяется потоком выхлопных газов.Байпас со стороны выхлопа, или перепускной клапан, является распространенным средством достижения лучшего контроля давления наддува с турбинами с фиксированной геометрией. Вестгейт может быть встроен в турбонагнетатель со стороны турбины или может представлять собой отдельный клапан, подключенный к внешнему трубопроводу. Пневматическое срабатывание перепускной заслонки под давлением было обычным явлением, но во многих новых конструкциях используется вакуумное и электрическое срабатывание.

Введение

Самая простая конструкция турбокомпрессора с точки зрения управления — это конструкция, в которой геометрия турбины и компрессора фиксирована и в которой не используются средства для управления давлением наддува.Давление наддува, обеспечиваемое этим типом турбокомпрессора, полностью определяется потоком выхлопных газов двигателя и характеристиками турбокомпрессора. Турбокомпрессор оптимизирован для конкретных условий эксплуатации. Размер турбины турбонагнетателя и/или отношение A/R имеют тенденцию быть относительно большими для данного применения из-за необходимости выбирать размер турбонагнетателя таким образом, чтобы в условиях самого высокого расхода турбонагнетатель не превышал скорость или не создавал избыточного давления наддува. Хотя давление наддува, близкое к номинальному, можно выбрать с помощью размера турбонагнетателя, переходная характеристика и давление наддува при более низких оборотах двигателя могут пострадать.Кроме того, на больших высотах скорость турбонагнетателя будет иметь тенденцию к увеличению, что может привести к проблемам с помпажем и / или превышению скорости турбонагнетателя, если только это не будет объяснено увеличением размера турбонагнетателя. Однако для некоторых двигателей, работающих в основном в ограниченном числе установившихся режимов, неуправляемый турбонагнетатель с турбиной с фиксированной геометрией может оказаться вполне удовлетворительным.

Для приложений, которые испытывают широкий диапазон условий эксплуатации и которые должны обеспечивать хорошие динамические характеристики, например, для легковых автомобилей, турбонагнетатель с фиксированной геометрией без контроля давления наддува не подходит.Для контроля давления наддува турбокомпрессоров с турбинами с фиксированной геометрией в этих приложениях можно использовать два метода:

  • Байпас со стороны выхлопа , также известный как перепускной клапан , для перепуска части потока на входе турбины, или
  • Байпас со стороны впуска для перепуска потока на входе компрессора.

Байпас со стороны выхлопа (Wastegate)

Добавление перепускного клапана, который позволяет части выхлопных газов обходить турбину, является более распространенным средством достижения лучшего контроля давления наддува с турбинами с фиксированной геометрией.В большинстве приложений это позволяет использовать турбину с фиксированной геометрией меньшего размера или меньшего соотношения A/R, которая способна обеспечить большую мощность компрессора при более низких расходах выхлопных газов, для данного приложения, рис. 1 [2629] . Переходная характеристика также значительно улучшается из-за улучшенной эффективности низкого расхода, а также меньшей инерции вращения турбонагнетателя.

На рисунке 1 синяя линия представляет турбокомпрессор с турбиной с фиксированной геометрией, а красная линия представляет турбокомпрессор с меньшей турбиной с фиксированной геометрией.Ни одна из турбин с фиксированной геометрией не имеет вестгейта. Обратите внимание, что турбонагнетатель с турбиной меньшего размера будет завышать скорость и форсировать двигатель при относительно низких оборотах двигателя. Добавление перепускной заслонки к турбокомпрессору с меньшей турбиной может значительно улучшить наддув на более низких оборотах двигателя, избегая при этом избыточного наддува и превышения скорости турбонагнетателя на более высоких скоростях. Количество улучшений зависит от того, насколько хорошо контролируется вестгейт.

Рисунок 1 . Влияние размера турбины и вестгейта на давление наддува и скорость турбонагнетателя

(Источник: Cummins Turbo Technologies)

На рис. 2 показан другой пример, но с точки зрения карты компрессора.Показана характеристика наддува при полной нагрузке с фиксированной геометрией и турбокомпрессором с регулируемым перепускным клапаном. Каждая турбина рассчитана таким образом, чтобы обеспечить двигателю одинаковое давление наддува, массовый расход всасываемого воздуха и скорость вращения при номинальной мощности. Турбина с фиксированной геометрией без байпаса должна иметь возможность обрабатывать весь поток выхлопных газов при номинальной мощности и, как правило, обеспечивать меньшее давление наддува при более низком расходе воздуха двигателя. Преимущество возможности использовать меньшую турбину / более низкое соотношение A / R с вестгейтом очевидно.Следует отметить, что, поскольку скорость турбонагнетателя при максимальном расходе для всех случаев одинакова, степень повышения давления при высоких оборотах двигателя на турбине с перепускным клапаном и, следовательно, насосные потери двигателя должны быть выше, чем для турбины с фиксированной геометрией без перепускного клапана. [2538] .

Рисунок 2 . Характеристики форсирования при полной нагрузке с двумя различными вариантами турбины

###

вызовов турбонаддува

вызов турбонаддува

Ханну Яаскеляйнен

Это предварительный просмотр статьи, ограниченный некоторым исходным содержанием.Для полного доступа требуется подписка DieselNet.
Войдите под номером , чтобы просмотреть полную версию этого документа.

Abstract : Достижение максимального крутящего момента двигателя при низких оборотах двигателя может быть проблемой для двигателя с турбонаддувом, особенно в двигателях уменьшенного размера, которые в значительной степени зависят от турбонаддува. Еще одной ключевой проблемой при разработке двигателей с турбонаддувом является запаздывание турбонагнетателя, которое может привести к выбросу дыма и значительному снижению максимального крутящего момента, доступного при ускорении автомобиля.Отставание турбокомпрессора можно контролировать за счет минимизации момента инерции турбокомпрессора, уменьшения трения турбокомпрессора и других стратегий.

Повышение скорости на низкой скорости

При низких оборотах двигателя достижение максимального крутящего момента двигателя может быть проблемой для двигателя с турбонаддувом. Если используется турбонагнетатель с фиксированной геометрией без перепускного клапана и размером, соответствующим номинальной мощности двигателя, изучение типичной кривой массового расхода турбины в зависимости от степени расширения показывает, что при низком массовом расходе, типичном для работы на низкой скорости, степень расширения на турбине будет низкой. (степень расширения сильно влияет на мощность, вырабатываемую турбиной), и компрессор будет генерировать небольшой наддув, и, следовательно, поток воздуха к двигателю будет ограничен.В дизельных двигателях это ограничение воздушного потока накладывает ограничение на крутящий момент двигателя из-за выбросов дыма, в то время как в стехиометрических бензиновых двигателях крутящий момент ограничивается из соображений потока наддува, рис. 1 [2727] . Кривая зависимости массового расхода турбины от степени расширения предполагает, что степень расширения на турбине можно увеличить при низких оборотах двигателя, выбрав турбину с меньшей пропускной способностью и используя перепускной клапан. Турбина с изменяемой геометрией обеспечивает некоторую гибкость в ее работе, и даже более высокие коэффициенты расширения возможны в условиях низкого расхода выхлопных газов.

Рисунок 1 . Влияние различных вариантов наддува на крутящий момент двигателя на низких оборотах

###

Понимание карт компрессора – определение размера турбонагнетателя

Когда дело доходит до турбокомпрессоров, кажется, что каждый становится экспертом после того, как устанавливает свой первый турбокомпрессор. Бесчисленное количество раз мы видели, как люди давали очень подробные советы другим, когда у них самих было очень мало опыта.

Линейка турбокомпрессоров AirWerks представлена ​​в широком диапазоне типоразмеров.

Турбокомпрессоры — это одна из частей вашего автомобиля, которая во многом определяет его работу.Выбор неправильной комбинации деталей может привести к тому, что автомобиль не будет иметь низких характеристик, высоких температур выхлопных газов и не доставляет удовольствия от вождения. С другой стороны, правильная комбинация деталей и транспортного средства легко выгорает, имеет низкий уровень выхлопных газов и доставляет удовольствие от вождения.

В прошлом году мы подготовили статью, в которой освещаются некоторые подводные камни, связанные с проведением исследований на форумах, и то, как высота над уровнем моря влияет на производительность турбокомпрессора. Мы подумали, что продолжим эту статью и объясним, что такое карта компрессора и как ее читать.«Карта компрессора показывает массовый расход, степень сжатия, скорость и эффективность. Его можно рассматривать как вывод/диаграмму динамометрического стенда для ступени компрессора, независимой от двигателя, на котором она работает», — говорит Сет Темпл, инженер по приложениям BorgWarner.

Анализируя карты компрессоров, вы можете начать сужать размер компрессора, который вам нужен для вашего приложения. Сами по себе карты не определят, нужна ли вам турбонаддув «А» или «В», но они помогут устранить подавляющее большинство существующих турбокомпрессоров.

Если вы никогда не видели карту компрессора, вам может быть трудно понять ее смысл. На карте содержится много информации, и прежде чем мы перейдем к самой карте, давайте обозначим две оси.

Горизонтальная ось

Нижняя ось представляет скорректированный массовый расход. Это то, сколько воздуха пропускает турбокомпрессор в единицу времени. Это может быть выражено в килограммах в секунду или фунтах в минуту (это два наиболее распространенных значения).

Вертикальная ось

Вертикальная ось представляет степень сжатия компрессора.Он рассчитывается путем деления абсолютного давления на выходе на абсолютное давление на входе. (Обратите внимание, что большинство манометров показывают манометрическое давление, т. е. ноль фунтов на квадратный дюйм при атмосферном давлении, тогда как на самом деле оно составляет около 14,7 фунтов на квадратный дюйм или около того.) Из-за того, как это вычисляется, с этой осью не связаны единицы измерения. «Соотношение давлений — это то, какое давление будет создавать ступень компрессора при заданной скорости относительно атмосферного давления, а также условий на входе (ограничения фильтра). Вместо наддува используется степень сжатия, потому что атмосферное давление меняется в зависимости от высоты и погодных условий», — объясняет Темпл.

Данные

Если вы знакомы с топографической картой, данные могут показаться вам знакомыми. Если нет, то каждое кольцо представляет определенный уровень или, в данном случае, эффективность. По мере увеличения эффективности кольца становятся все меньше и меньше.

В индустрии турбокомпрессоров эти кольца называются островами эффективности. Эффективность турбокомпрессора измеряется его способностью сжимать воздух, не выделяя при этом избыточного тепла. Чем выше КПД, тем ниже температура на выходе для данного давления наддува (оно все равно будет выше температуры окружающей среды).

Это оба 76-мм турбокомпрессора. Разница в том, что тот, что справа, имеет углубление для увеличения ширины карты. Если вы заметили, что при более низкой степени давления оба турбонагнетателя работают примерно одинаково, но по мере увеличения степени давления между ними становится отчетливая разница.

«Карты компрессора обычно представляются в виде контурных графиков с островками, представляющими эффективность ступени компрессора. На карте компрессора есть важные области, о которых нужно знать. Две области, которые могут привести к повреждению турбокомпрессора, — это области помпажа и дроссельной заслонки», — сказал Джим Руфини, инженер по приложениям BorgWarner.

Левая граница

Линия помпажа карты компрессора является левой границей. Эта линия представляет собой максимальное давление, которое турбокомпрессор может создать, пропуская наименьшее количество массы (воздуха).

Линия EFR компании BorgWarner имеет встроенный клапан рециркуляции (BOV), встроенный в крышку компрессора.

Темпл объяснил: «Всплеск может происходить несколькими способами. Наиболее распространенный и наиболее очевидный возникает, когда дроссельная заслонка поднимается во время наддува, что приводит к слышимому щебетанию/кашляющему звуку.Поскольку дроссель поднимается под нагрузкой, необходимо сбросить давление, возникающее в системе трубопроводов.

«Это учитывается в приложениях оригинального оборудования, и соответствующий турбонаддув рассчитан на номинальную мощность и запас по перенапряжению. Этот тип помпажа более серьезен для двигателей, оснащенных корпусом дроссельной заслонки после турбонаддува. Корпуса дроссельных заслонок в основном используются в бензиновых двигателях, но с новыми стандартами выбросов все больше производителей дизельных двигателей используют их как часть своей стратегии контроля выбросов.В двигателях, оборудованных корпусом дроссельной заслонки, когда дроссельная заслонка физически закрывается, давление должно сбрасываться, и, к сожалению, единственное место, куда оно должно уйти, — это обратно через впускное отверстие компрессора, что создает нестабильность давления и расхода», — продолжает Темпл.

Темпл говорит: «Вот почему многие производители оригинального оборудования интегрируют клапан рециркуляции компрессора в свою систему, чтобы избежать этого условия. Это также обусловило потребность во внешних продувочных клапанах вторичного рынка. Они помогают сбросить давление, которое создается в системе трубопроводов, позволяя скорости турбонаддува снижаться более плавно, что помогает продлить срок службы турбонаддува.

Турбина

Turbonetics Y2K Thumper не предназначена для маломощных двигателей малого объема. Это предназначено ни для чего, но для максимальной производительности.

Темпл сказал нам: «То же самое происходит с дизельными двигателями, у которых нет корпуса дроссельной заслонки, но это менее серьезно, поскольку дроссельная заслонка не закрывается. Большинство энтузиастов производительности хотят большей мощности, поэтому увеличение размера до более крупного турбонаддува (турбин) является нормой. Большие турбины обычно пропускают больше воздуха, поэтому линия помпажа смещается вправо, что увеличивает вероятность второго типа помпажа.Этот тип всплеска происходит при ускорении, а не при поднятии дроссельной заслонки, как упоминалось выше».

«Этот тип помпажа в основном означает, что двигатель работает на линии помпажа или слева от нее. В этом случае двигателю требуется или он способен проглотить меньший поток, чем может стабильно обеспечивать компрессор. Другими словами, рабочая точка двигателя при данном расходе и давлении находится за пределами стабильного рабочего диапазона компрессоров, то есть в помпаже или слева от линии помпажа.

Поскольку двигатель здесь не может потреблять больше воздуха, а турбонаддув не может обеспечить стабильный поток, в системе трубопроводов создается давление, которое в конечном итоге сбрасывается обратно на вход компрессора. Хорошее эмпирическое правило — работать на 10 или более процентов правее линии помпажа, где воздух более стабилен. Использование рециркуляционной полости/щели, также известной как кожух с отверстиями, перемещает линию помпажа влево, обеспечивая больший запас по помпажу», — продолжил Темпл.

Правая граница

Противоположностью помпажа является дроссель.Дроссель — это, по сути, максимальное количество воздуха, которое может пройти со стороны компрессора при заданном соотношении давлений.

«Когда компрессор начинает работать в области дросселя на карте, температура на выходе компрессора будет быстро увеличиваться, как и скорость вала. Это происходит, когда вы достигли максимального предела расхода турбонагнетателя. Как правило, размер турбонагнетателя обеспечивает достаточный запас по помпажу, а также сохраняет рабочие точки на карте компрессора в областях выше 65 процентов», — пояснил Руфини.

Линии скорости

Линии скорости — это последний дополнительный бит информации, содержащийся в карте компрессора. Линии скорости проходят слева направо по островам эффективности и представляют конкретную скорость компрессора. Эти линии скорости обычно измеряются и обозначаются в метрах в секунду, футах в минуту или скорости вращения.

Для людей, которые являются хардкорными в турбонагнетателях или конкурентоспособны, есть датчики скорости вращения колеса, которые могут быть установлены в турбокомпрессор, чтобы вы знали, как быстро вращается турбокомпрессор.Если вы знаете обороты турбонагнетателя и давление, вы можете в основном выяснить, какой поток турбонагнетателя.

Что все это значит

После того, как вы просмотрели несколько карт компрессора турбокомпрессора и начали понимать различия, следующий вопрос: что все это значит? «Карта компрессора отображает скорректированный массовый расход и эффективность, которые можно использовать для определения потенциала мощности данной ступени компрессора. Поскольку двигатель по сути является воздушным насосом, эти данные важны, поскольку они дают конечному пользователю мощность, которую турбо может поддерживать при заданном соотношении давлений и массовом расходе.Общее эмпирическое правило заключается в том, что один фунт/мин примерно соответствует поддержке 10 лошадиных сил», — пояснил Руфини.

Как рассчитать эту информацию?

Основные расчеты не так уж плохи, но выглядят пугающе. Чтобы рассчитать, какой расход воздуха требуется двигателю, используйте следующую формулу:

.

Воздушный поток двигателя = RPM * Объемный КПД * Плотность во впускном коллекторе * Рабочий объем * 0,5

Плотность во впускном коллекторе рассчитывается по формуле:

Плотность во впускном коллекторе = абсолютное давление во впускном коллекторе /(газовая постоянная*абсолютная температура на впуске)

Эти две формулы дадут вам, сколько воздуха нужно двигателю.Следующее, что нужно рассчитать, это давление, необходимое для достижения желаемой мощности.

Давление = BSFC *AFR *BMEP *Газовая постоянная *Температура на впускном коллекторе

AFR можно рассчитать по следующей формуле

AFR = (масса воздуха и топлива + масса EGR)/масса топлива

Каждый раз, когда вы вычисляете этот тип информации, вам нужно быть уверенным и следить за своими юнитами. Если вы рассчитываете с использованием имперских единиц, вам необходимо использовать имперские единицы во всех расчетах.То же самое с SI или Международной системой единиц, вам нужно будет использовать их на протяжении всего процесса. Иногда при поиске конкретной информации можно найти значения только в одном формате. Обязательно конвертируйте их.

Теперь, если вы не хотите выполнять все эти расчеты вручную, есть соответствующий инструмент, который рассчитает всю информацию за вас. Все, что вам нужно будет сделать, это ввести некоторые основные данные. Инструмент сопоставления называется MatchBot. Это онлайн-инструмент для подбора турбокомпрессоров, созданный BorgWarner несколько лет назад.Это довольно объемно, но есть много информационных вкладок и эмпирических правил, которые вы можете использовать, чтобы получить хороший примерный пример.

При выборе турбокомпрессора необходимо учитывать несколько моментов. Особенно, если вы переключаетесь между двумя разными турбинами, которые, кажется, работают. «Мы живем в Америке, чем больше, тем лучше для большинства вещей. К сожалению, это не относится к турбокомпрессорам. Когда речь заходит о них, это почти противоположно тому, что вы думаете», — говорит Реджи Винн, менеджер по маркетингу и продажам Turbonetics Inc.

Если вы ищете турбокомпрессор для ежедневного вождения или что-то для буксировки, то выбор меньшего турбокомпрессора даст более отзывчивый турбокомпрессор и грузовик. С другой стороны, если вы заинтересованы только в максимальной производительности (например, в дрэг-рейсинге), то более крупный и менее отзывчивый (на низких оборотах) турбонагнетатель, который все еще находится в рабочем диапазоне, обеспечит наилучшую производительность.

Нет никаких сомнений в том, что определение размеров турбокомпрессора — это искусство, но при достаточной практике и терпении этому искусству можно научиться.Эта статья действительно является первым техническим шагом к изучению того, как подобрать размер турбокомпрессора для любого применения. Мы продолжим закладывать фундамент в надежде, что вы сможете построить все, что захотите.

Энергоэффективность турбокомпрессора — High Power Media

Впервые в истории Формулы-1 в 2014 году главное внимание уделялось экономичности – 1,6-литровому двигателю с турбонаддувом и непосредственным впрыском топлива, потребляемому за гонку, и эффективности аэродинамики автомобиля.И все же, поскольку количество использованного топлива было примерно на 35% меньше, чем в 2013 году, автомобили были примерно такими же быстрыми.

Большая часть экономии, конечно, была связана с рекуперацией энергии при торможении, энергии, которая в противном случае была бы потрачена впустую в виде тепла от выхлопных газов, но внедрение технологии электродвигателя/генератора дает гораздо больше возможностей для эффективность, чем многие могли бы сначала подумать. Возьмем, к примеру, конструкцию колеса компрессора турбонагнетателя и потенциальную экономию эффективности при сжатии всасываемого заряда.

Приводимый в действие турбиной, приводимой в действие выхлопными газами, или электродвигателем двигательно-генераторной установки, всасываемый двигателем воздух всасывается в центр колеса центробежного компрессора и ускоряется радиально наружу, увеличивая кинетическую энергию всасываемого газа. Покинув периметр колеса, быстро движущийся воздух снова замедляется, или «рассеивается», так что кинетическая энергия преобразуется в энергию давления – давления наддува во впускном коллекторе. Конструкция и угол наклона лопастей колеса компрессора, диффузор и улитка корпуса компрессора работают вместе, создавая характеристики сжатия системы в виде «карты» компрессора, примеры которой показаны на рис.1.  

По сути, это график отношения давлений к массовому расходу, левая сторона рабочего диапазона называется линией «помпажа». В этот момент аэродинамические элементы колеса компрессора создают эффект обратного потока, что приводит к реверсированию напряжения в лопатках компрессора и «кашляющему» звуку, когда воздушный поток останавливается. На другой стороне карты, ближе к правой стороне конверта, пределом является эффективность сжатия. Обычно принимается около 60%, при этих значениях происходит чрезмерный нагрев всасываемого воздуха, массовый расход значительно падает и компрессор эффективно «забивается».Между ними карта состоит из ряда контуров, соединяющих точки равной эффективности сжатия, подобно контурам высот на карте, и на все это накладываются линии постоянной скорости колеса компрессора.

Рабочий диапазон или «ширина» карты частично зависит от конструкции крыльчатки компрессора – типа и количества лопастей, а также угла их закручивания. Эти лопасти крыльчатки, спроектированные так, чтобы иметь степень так называемого «обратного размаха», создают карты с более высокой пиковой эффективностью сжатия за счет того, что они более узкие и, следовательно, их сложнее согласовать с приложениями двигателя, особенно те, которые используются в приложениях с переменной скоростью и нагрузкой. .Таким образом, в большинстве автомобильных приложений рабочее положение компрессора определяется давлением наддува, которое после достижения регулируется перепускным клапаном турбины.

Однако, если теперь вы добавите потенциал для привода компрессора, используя, скажем, электродвигатель/генератор, то теперь у вас есть возможность согласовать компрессор с максимальной эффективностью, используя электродвигатель, когда недостаточно выхлопных газов или когда слишком много газа, чтобы поглотить избыточную мощность и вернуть часть ее обратно в аккумуляторную систему.В любом случае, компрессор может быть переработан для работы в более эффективной точке своего диапазона, чем это было бы в противном случае, обеспечивая минимальный нагрев всасываемого воздуха двигателя, что приводит к меньшим промежуточным охладителям и более эффективному аэродинамическому пакету автомобиля.

Таким образом, новые двигатели 2014 года с непосредственным впрыском топлива не только обеспечивают впечатляющую экономию топлива, но и возможности, доступные для приведения в действие компрессора с помощью электродвигателя, могут сделать двигатель автомобиля в целом еще более эффективным.

Рис. 1 — Типичные схемы турбонагнетателя: а) обычный подход с перепускным клапаном; и b) использование электродвигателя/генератора для повышения эффективности сжатия

Автор Джон Коксон

Компрессор для форсированных двигателей — Simulink

Импорт данных компрессора

Импорт данных этого компрессора из файла.Для получения дополнительной информации см. Использование данных (Model-Based Calibration Toolbox).

  • Скорость, SPD, в RAD / S

  • Массовый расход, массовый материал, в кг / с

  • Коэффициент давления, Prsratio, безразмерный

  • Эффективность, EFF, безразмерный

Скорость , массовый расход, отношение давлений, и эффективность находятся во 2-5 столбцах файла данных, соответственно.Первая и вторая строки файла данных содержат имена переменных и единицы измерения. Например, используйте этот формат.

… … …
Имя: Spd MassFlwRate PrsRatio Eff
Единица измерения: рад / с кг / с
данных : 8373,3 0,02 1.21 0.44 0.44

7 …

Модельная калибровка на основе моделей на панели инструментов значения для максимальные значения в файле.

Для фильтрации или редактирования данных, выберите Редактировать в приложении . Откроется редактор данных Model-Based Calibration Toolbox.

Создание моделей отклика

Model-Based Calibration Toolbox подгоняет импортированные данные к моделям отклика.

Data

Расход массового расхода

Расширенная модель реагирования на эллипс описана в Моделирование и управление двигателями и Трансмиссии 2

Эффективность

Полиномиальная

Для оценки соответствия или настройки модели выберите Редактировать в приложении .

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован.