Что такое наддув двигателя

SvarWork › Блог › 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.

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.

Какие существуют виды наддува
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.
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.
Как устроен турбонагнетатель
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?

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.

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.

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.

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.

Как устроен механический нагнетатель
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.

Комбинированные схемы агрегатного наддува
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.

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.

Охлаждение воздуха
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».

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.

Пять мифов о турбонаддуве
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.

PS: Не стесняемся, Жмем кнопочки с низу –> [Нравится] и [Поделиться], вам это никого-го труда не составит, а мне на душе приятно. И нажав [Поделиться] Ваш читатель, увидит данную статью, и м.б. его сия заинтересует и он узнает много нового)) Всем Бобра!

Виды наддува двигателя

Задача повышения мощностных характеристик силового агрегата была актуальна всегда. Методов улучшения мощности мотора есть довольно много, к примеру, возможно увеличить габаритные размеры цилиндров, численность и количество оборотов мотора. Однако все вышеприведенные методы приводят к существенному увеличению габаритных размеров и веса силового агрегата, а также повышению нагрузки на его конструктивные элементы.

Содержание:

Существует гораздо эффективнее метод улучшения мощностных характеристик мотора. Сама идея довольно проста: чем больше удастся «затолкать» воздуха в цилиндр силового агрегата, тем больше возможно сжечь горючего и как следствие получить повышение мощности мотора. Данный метод именуется – наддув двигателя. Главным его преимуществом выступает тот факт, что габаритные размеры и вес мотора остается прежними, но его мощностные характеристики будут более высокими.

В обычном силовом агрегате горючая смесь подается в цилиндры, при давлении, которое значительно меньше атмосферного. При этом нужно учитывать наличие «препятствий» для прохождения горючей смеси в виде дроссельной заслонки, воздушного фильтрующего элемента, поворотов и шероховатой поверхности стенок каналов. Выполняя наддув двигателя давление, под которым подается горючее значительно повышается, что позволяет получить высокую мощность мотора.

Читайте также:  Электронный блок управления

Применение механической схемы

Механические нагнетатели воздуха с целью увеличения мощности силового агрегата использовались на транспортных средствах еще в 30-х годах. Тогда такие устройства именовались компрессорами. В настоящее время их преимущественно называют турбокомпрессорами, о которых, собственно пойдет речь дальше. Стоит отметить что механических конструкций такого плана достаточно много, но несмотря на это разработка новых модификаций актуальна и сейчас.

На выше представленном рисунке показаны нагнетатели воздуха со стандартной конструкцией механического типа. Такие турбокомпрессоры отличаются простой конструкционной схемой и не сложны в эксплуатации.

Однако существуют и не совсем обычные нагнетатели воздуха, разработанные различными компаниями. Одним из них является – волновой нагнетатель воздуха «Comprex» разработанный компанией Asea-Brown-Boweri. Ротор данного турбокомпрессора обладает аксиально размещенными ячейками. При вращательных движениях ротора в камеры попадает воздух, после этого она подходит к отверстию в корпусе и через него в ячейку попадают горячие отработанные газы из силового агрегата. Взаимодействуя с холодным воздухом образовывается волна давления, которая движется с высокой скоростью, за счет чего воздух вытесняется в отверстие выпускного трубопровода, к которому камера за этот промежуток времени успевает подойти. Так как ротор все время крутится отработанные газы в данное отверстие не попадают, а выходят по ходу движения ротора в следующее. Такие нагнетатели применялись многими производителями автомобильных транспортных средств, к примеру, Mazda их применяет на некоторых моделях машин с 1987 года.

Еще одной интересной разработкой выступает спиральный нагнетатель – G40. Впервые она были использована немецким производителем автомобилей Volkswagen в 1985 году.

В 1988 году появилась новая модификация спирального нагнетателя воздуха G-60, которая обладала более высокой мощностью и применялась на автомобилях Corrado и Passat.

Конструкционно такие нагнетатели состоят из двух спиралей, первая из которых стационарна и выступает в качестве части корпуса. Вторая спираль играет роль вытеснителя и размещена между двумя витками первой. Данная спираль крепится на валу. Вал в действие приводится за счет ременной передачи силового агрегата с отношением одного к двум.

Принцип работы такой конструкции довольно прост и заключается в следующем: во время вращения вала спираль находящиеся внутри корпуса осуществляет колебательные движения и между ними образовываются серповидные полости, движущееся к центру и тем самым перемещают воздух с периферии в мотор под низким давлением. При этом количество подаваемого сжатого воздуха напрямую зависит от частоты вращения вала мотора.

Такая схема нагнетателя имеет два важных преимущества: достаточно высокий КПД и износоустойчивость (за счет отсутствия трущихся конструкционных элементов).

Применение турбокомпрессоров

В настоящее время с целью улучшения мощностных характеристик силового агрегата используют не механические нагнетатели воздуха, а турбокомпрессоры. Такие устройства гораздо проще в производстве, что окупает ряд недостатков, которые им присущи.

Современные турбокомпрессоры от выше приведенных схем прежде всего отличаются по своим конструкционным особенностям и принципу работы привода. В данном случае применяется ротор с лопатками, то есть турбина, вращаемая за счет воздействия потока отработанных газов силового агрегата. Турбина вращает вмонтированный на том же валу компрессор, представленный в виде колеса, оснащенного лопатками.

Такой принцип действия привода, определяет главные недостатки газового компрессора. Следует отметить, что в данном случае частота вращения мотора довольно низкая, а значит и количество отработанных газов тоже небольшое, что негативно влияет на производительность работы турбокомпрессора.

Помимо двигатель с установленным турбокомпрессором, чаще всего имеет так называемую турбояму, то есть замедленный отклик мотора на увеличение количества подаваемого горячего. Водителю при этом нужно резко нажать педаль газа до упора, а силовой агрегат реагирует лишь спустя определенное время. Объяснение у такого явления довольно простое – необходимо определенное количество времени на раскрутку турбины, которая отвечает за вращение компрессора.

Максимально нивелировать выше наведенные недостатки турбокомпрессоров разработчики пытались различными методами. И в первую очередь была уменьшена масса конструктивных вращающихся элементов компрессора и самой турбины. Ротор компрессора, применяемого в настоящее время стал настолько малогабаритным, что вмещается на ладони. К тому же легкий по массе ротор значительно повышает эффективность работы компрессора даже при низких оборотах силового агрегата.

Однако уменьшение размеров конструктивных деталей, не единственный метод улучшения эффективности работы газового компрессора. Сегодня для их изготовления применяются новые материалы, которые помогают снизить массу элементов ротора, что позволяет улучшить его работу. К примеру, довольно часто для этих целей используют спичечный карбид кремния, который обладает устойчивостью к воздействию высоких температур и при этом имеет легкий вес.

То есть с уверенностью можно сказать, что современные турбокомпрессоры лишены многих недостатков предыдущих моделей подобных устройств. Благодаря чему такие установки с успехом используются на автомобильных транспортных средствах от разных производителей. Выбор турбо нагнетателей воздуха должен осуществляться исходя из изначальной мощности машины, а также финансовых возможностей владельца автомобиля. Установка таких агрегатов строго должна вестись на СТО либо автомастерских.

Что лучше выбрать механический нагнетатель воздуха или турбокомпрессор

Увеличение скоростных показателей своего автомобиля – весьма актуальный вопрос для многих владельцев транспортных средств. Сегодня данную задачу можно решить многими способами, но наибольшим спросом пользуется установка механического нагнетателя воздуха или турбо компрессора. Так какой из этих двух вариантов лучший? На данный вопрос попробуем ответит в данной статье.

Для этой цели изначально нужно разобраться с принципом работы механического и газового компрессора.

Принцип и особенности работы механической схемы

Таких устройств существует несколько видов:

  1. Объемный нагнетатели воздуха. Такие установки подают воздух в силовой агрегат одинаковыми порциями в независимости от скоростного режима, что является преимуществом при езде на низких оборотах мотора;
  2. Механические схемы внешнего сжатия воздуха. Такие компрессоры прекрасно подходят там, где есть необходимость в большом количестве подаваемого воздуха на невысоких оборотах мотора. Недостатком такого подхода является наличие возможности создания обратного оттока воздуха, так как компрессор сам по себе не обеспечивает нужного давления. К тому же такие установки имеют низкий КПД;
  3. Установки внутреннего сжатия. Их применение актуально на высоких оборотах силового агрегата, к тому же эффект обратного оттока воздуха гораздо меньший. Недостатками таких схем выступают: достаточно высокая стоимость (по причине высоких требований относительно материала исполнения) и возможность заклинивания, особенно в случае перегрева;
  4. Динамические нагнетатели воздуха. Такие установки работают лишь по достижению определенного количества оборотов, но при этом их КПД гораздо выше в сравнении с выше наведенными установками.

Поскольку механические нагнетатели воздуха функционируют за счет коленчатого вала мотора посредством дополнительного привода, обороты компрессора напрямую зависят от оборотов силового агрегата.

Особенности работы турбокомпрессора

Такие нагнетатели воздуха функционируют за счет энергии, полученной от выбросов отработанных газов. По своей сути турбокомпрессор – сочетание центробежного компрессора и самой турбины (колеса, оснащенного лопатками).

Принцип его действия заключается в следующем: отработанные газы с большой скоростью вращают турбину, которая вмонтирована на валу. На другом конце вала вмонтирован центробежный насос, основная задача которого заключается в нагнетании большого количества воздуха в цилиндры.

В современных компрессорах с целью охлаждения воздуха, который подается в турбину, применяют интеркулер.

Недостатки и преимущества механического и газового компрессора

Турбокомпрессор прекрасно подходит для применения с целью обогащения кислородом топлива. Однако и такие схемы обладают своими недостатками:

  1. турбина представлена в виде стационарного устройства и соответственно есть необходимость в привязке к силовому агрегату транспортного средства;
  2. на невысоких оборотах мотора, такой компрессор не способен обеспечит большую скорость, а лишь на высоких его работа эффективна;
  3. при переходе с низких на высокие обороты часто образуется так называемая «турбояма», при этом чем выше мощность турбокомпрессора, тем значительней будет данный эффект.

Стоит отметить, что в настоящее время можно купить турбокомпрессор, который будет отлично справляться со своей основной задачей как на низких, так и на высоких оборотах силового агрегата. Однако их цена достаточно высокая, как на само оборудование, так и на обслуживание. Но несмотря на это многие владельцы отдают предпочтение именно турбокомпрессорам.

Механические нагнетатели воздуха в свою очередь проще в монтаже и обслуживании. Работают такие устройства как на низких, так и на высоких оборотах. Кроме этого они требуют слишком больших временных и финансовых затрат при восстановлении и ремонте. Это объясняется тем, что в отличие от турбокомпрессора, механический нагнетатель является независимым устройством.

Турбина помимо своей дороговизны и сложности в установке, также довольно требовательна к качеству и техническим характеристикам используемой топливной смеси.

У механических нагнетателей воздуха есть существенная проблема – достаточно большой расход горючего, при относительно невысоком коэффициенте полезного действия. Но при этом они проще в конструкционном плане и в обслуживании.

При этом выбор той или иной установки зависит только от водителя и его пожеланий, а также изначальных характеристик машины.

Видео


Системы наддува двигателя

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

Способы повышения мощности двигателя

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

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

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


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

Виды по способу создания давления

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

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

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

  1. Roots
  2. Lysholm (механический нагнетатель)
  3. Центробежный (турбина)

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

Roots

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

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

Устройство и работа нагнетателя Roots

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

Lysholm

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

Нагнетатель типа Lysholm, другое название — винтовой.

Основным недостатком этого наддува является высокая стоимость изготовления.

Центробежный тип

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

Центробежный нагнетатель с газотурбинным приводом

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

Типы привода, их достоинства и недостатки

Вторая проблема – привод нагнетателя, а он может быть:

  1. Механическим
  2. Газотурбинным
  3. Электрическим

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Электронагнетатель от фирмы Valeo

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

Иные проблемы

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

К ним относится:

  • нагрев воздуха при сжатии;
  • «турбояма»;
  • эффективная работа нагнетателя на всех режимах.
Читайте также:  Что такое накатка

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

Варианты исполнения систем наддува

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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 давление наддува. Поскольку VAT — решение упрощенное, и не в полной мере обеспечивает регулировку, перепускной клапан в схеме управления давлением наддува пришлось сохранить.

Получилось, в целом, неплохо. Своего максимального крутящего момента 288 Нм двигатель Peugeot достигает при 2600 об./мин., и это значение сохраняется до 4500 об./мин. При этом 90% величины момента расположены в диапазоне 2300-5200 об./мин. При объеме 2,0 литра двигатель развивает мощность 200 л. с. (5000 об./мин.), а расход топлива в городе составляет менее 12 л/100 км.

Overboost

Как правило, турбонаддувные двигатели имеют устройство Overboost, срабатывающее при резком нажатии на педаль газа и дополнительно повышающее давление наддува и максимальный крутящий момент двигателя (примерно на 10%). Это необходимо при резких ускорениях, например, при обгоне.

На Audi с компрессором К24 включение этого режима достигается, в общем, традиционно: при резком и полном открытии дроссельной заслонки срабатывает электронный блок управления, который быстро закрывает регулировочный клапан давления наддува. Весь поток отработавших газов направляется через турбину, давление наддува дополнительно увеличивается — Overboost. В этом режиме уже при 2100 об./мин. крутящий момент двигателя достигает 380 Нм.

Конструкторы Peugeot поступили по-другому. У компрессора Garrett VAT 25 (рис . 11) эффект Overboost достигается за счет того, что заслонка в корпусе турбины быстро откидывается в направлении турбинного колеса, резко увеличивая проходное сечение и, соответственно, поступающее количество отработавших газов. Крутящий момент двигателя 405 Т16 в этом режиме повышается до 318 Нм при 2400 об./мин.

Читайте также:  Электросхема лампы сигнала поворота и аварийной сигнализации автомобиля Дэу Ланос

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.

Зачем в двигателях нужен наддув: их виды и принцип работы

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

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

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

Какие виды наддувов применяются на авто

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

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

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

Механический наддув — компрессор

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

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

Турбонаддув — принцип работы

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

О минусах применения турбокомпрессора

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

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

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

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

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

Автомобильный справочник

для настоящих автомобилистов

Процессы наддува в двигателе

С уществует два способа повышения мощности двигателя. Первый — повышение объема камеры сгорания. Но в условиях постоянно ужесточающийся экологических требований к двигателям внутреннего сгорания, этот метод в настоящее время практически не используется. Второй метод повышения мощности сводится к принудительному увеличению количества горючей смеси, то есть к наддуву. Поэтому сейчас, наддув является основным средством повышения мощности в современных автомобилях. Вот о том, какими бывают процессы наддува в двигателе, мы и поговорим в этой статье.

Процессы наддува

Мощность двигателя пропорциональна массовому расходу воздуха, который, в свою очередь, пропорционален плотности воздуха. Рабочий объем и частота вращения коленчатого вала двигателя могут быть увеличены за счет пред­варительного сжатия воздуха перед поступле­нием его в цилиндры двигателя, т.е. путем так называемого наддува. Коэффициент наддува соответствует увеличению плотности нагнетаемого воздуха по сравнению с атмосферным давлением (в двигателях без наддува воздух поступает под атмосферным давлением).

С точки зрения термодинамики наилучшие результаты могли бы быть получены в процессе изотермического сжатия, однако это технически недостижимо. На практике оптимальным процессом является адиабатиче­ское сжатие; при этом увеличение плотности воздуха сопровождается потерями.

Коэффициент наддува в бензиновых двигателях ограничивается возникновением детонации, а в дизельных двигателях — максимально допустимым пиковым давлением в цилиндре. Поэтому двигатели с наддувом обычно имеют более низкие степени сжатия, чем двигатели без наддува той же мощности.

Динамический наддув

На процессы газообмена оказывает влияние не только установка фаз газораспределения, но и геометрия впускных и выпускных каналов. Движение поршня на такте всасывания при открытии впускного клапана создает волну всасывания, которая отражается от открытого конца впускного трубопровода и возвращается к впускному клапану в виде волны давления. Эти волны давления могут быть использованы Для увеличения массового расхода воздуха на впуске. Кроме геометрии впускного трубопро­вода интенсивность этого эффекта наддува, основанного на газодинамике, также зависит от величины оборотов двигателя.

Инерционный наддув

В системах инерционного наддува каждый цилиндр снабжен отдельным впускным каналом определенной длины, обычно соединяю­щимся с общей камерой. По этим впускным каналам волны давления могут распространяться независимо друг от друга (рис. «Принцип инерционного наддува» ). Длины отдельных впускных каналов адапти­рованы к установке фаз газораспределения таким образом, чтобы в желаемом диапазоне оборотов двигателя за счет волны давления, проходящей через открытый впускной клапан, достигалось увеличение массы заряда.

В то время как длина каналов должна быть адаптирована к диапазону оборотов двигателя, диаметры каналов должны быть согласованы с рабочим объемом цилиндра. В системе впуска, показанной на рисунке «Принцип изменения геометрии впускного трубопровода«, возможно переключение между двумя системами каналов различной длины. Переклю­чающий клапан или заслонка закрывается в нижнем диапазоне оборотов двигателя, и всасываемый воздух поступает в цилиндры через более длинные впускные трубопро­воды. При высоких оборотах переключаю­щий клапан открыт, и воздух поступает через короткий впускной трубопровод.

Наддув с использованием специально настроенных впускных каналов (резонансный наддув)

При определенных оборотах двигателя возникает резонанс колебаний газа во впускном трубопроводе, вызванных возвратно поступательным движением поршня, что создает дополнительный эффект наддува.

При таком варианте наддува короткие трубопроводы соединяют группы цилиндров двигателя с резонансными ресиверами с такими же интервалами, как промежутки между вспышками в цилиндрах (рис. «Принцип наддува с использованием специально настроенных впускных каналов» ).

Эти ресиверы сообщаются с атмосферой или общей камерой посредством специально отрегули­рованных трубок и резонаторов Гельмгольца. Длина и диаметр трубопроводов опреде­ляются диапазоном оборотов двигателя, в котором должен возникать эффект допол­нительного резонансного наддува (рис. «Повышение коэффициента наполнения цилиндра зарядом при помощи динамического наддува» ).

Впускные трубопроводы с изменяемой геометрией

Поскольку эффект динамического наддува зависит от режима работы (величины оборотов) двигателя, изменяемая геометрия впускного трубопровода позволяет получить практически идеальную кривую крутящего момента. Регулируемые системы могут быть реализованы посредством изменения длины впускных каналов за счет переключения между системами каналов различной длины или диаметра, попеременного перекрытия отдельных каналов в системах с несколькими наборами впускных каналов или пере­ключения между различными впускными объемами. Эти переключения могут осущест­вляться электрическими или электропневматическими клапанами или заслонками.

Механический наддув

В механических системах наддува привод нагнетателя осуществляется непосредственно от двигателя внутреннего сгорания (см. «Нагнетатели» ). При этом нагнетатель и двигатель внутреннего сгорания механически соединены друг с другом. Применяются механические объемные нагнетатели (компрессоры) различных конструкций (нагнетатели Roots, спиральные нагнетатели) и гидрокинетические компрессоры (например, радиальные компрессоры).

До настоящего времени коленчатый вал и вал нагнетателя соединяются с фиксиро­ванным передаточным отношением. Для привода нагнетателя могут использоваться механические или электромагнитные муфты. Давление наддува регулируется при помощи перепускного устройства с регулирующей заслонкой (регулятора давления наддува).

Преимущества механического наддува:

  • Нагнетатель установлен на холодной стороне двигателя;
  • Компоненты нагнетателя не оказывают влияния на работу системы выпуска отра­ботавших газов;
  • Нагнетатель мгновенно реагирует на изменение нагрузки.

Недостатки механического наддува:

  • Мощность, требуемая для привода нагнетателя, отбирается от полезной мощности двигателя, что вызывает повышение расхода топлива;
  • Приемлемый уровень шума может быть достигнут только посредством специальных мер;
  • Сравнительно большой объем и вес системы;
  • Нагнетатель должен быть установлен на уровне приводного ремня

Турбонаддув с использованием отработавших газов

В системах турбонаддува с использованием отработавших газов некоторая часть энергии отработавших газов преобразуется в механи­ческую энергию, необходимую для привода нагнетателя при помощи турбины (турбонаг­нетателя отработавших газов). Таким образом, этот процесс использует некоторую часть энтальпии, которая на безнаддувных двигателях остается неиспользованной. Однако эти си­стемы вызывают увеличение противодавле­ния отработавших газов. Для сжатия воздуха в таких системах используются исключительно гидрокинетические компрессоры.

Рис. «Сравнение кривых мощности и крутящего момента двигателей без наддува и с турбонаддувом»

Турбонагнетатели отработавших газов обычно применяются для создания высокого давления наддува даже при низких частотах вращения коленчатого вала двигателя. Другими словами, турбина турбонагнетателя рассчитана на среднюю частоту вращения. При этом следует учитывать, что при высоких частотах вращения давление наддува может возрастать до уров­ней, которые вызовут чрезмерные нагрузки на двигатель. Поэтому турбина снабжается пере­пускным клапаном, который при определенной частоте вращения начинает пропускать часть потока отработавших газов мимо турбины. При этом энергия этих отработавших газов остается неиспользованной. Значительно более удовлет­ворительные результаты (т.е. высокое давление наддува в нижнем диапазоне оборотов и в то же время возможность избежать перегрузки в верхнем диапазоне) могут быть получены при использовании турбонагнетателя с изменяемой геометрией турбины (VTG). В этих системах за счет изменения положения направляющих ло­паток осуществляется регулирование сечения потока и угла атаки рабочих лопаток (и, таким образом, давления отработавших газов, посту­пающих на турбину) (см. «Турбо­нагнетатели»).

Преимущества турбонаддува с использованием отработавших газов:

  • Значительное увеличение выходной мощ­ности на литр рабочего объема;
  • Значительное снижение расхода топлива по сравнению с двигателями без наддува равной мощности;
  • Снижение содержания токсичных продук­тов в отработавших газах;
  • Сравнительно небольшой занимаемый объем;
  • Может быть использован совместно с си­стемами рециркуляции отработавших га­зов низкого давления.

Недостатки турбонаддува с использованием отработавших газов:

  • Установка турбокомпрессора в тракте с «горячими» отработавшими газами требует применения термостойких материалов;
  • Повышенная тепловая инерция в системе выпуска отработавших газов;
  • Без принятия дополнительных мер сравни­тельно низкий пусковой крутящий момент в случае установки на двигателях с малым рабочим объемом.

Специальные виды турбонаддува

В электрифицированных системах турбонаддува используется дополнительный электродвигатель, приводящий во вращение турбонагнетатель при отсутствии потока отработавших газов. Преиму­щество такой системы заключается в обеспече­нии турбонаддува в переходных режимах работы двигателя и при низких частотах вращения. Эти системы пока что не нашли применения в серий­ном производстве автомобилей ввиду их большой сложности и высокой потребляемой электриче­ской мощности. Применение электрифицирован­ных систем турбонаддува позволит значительно уменьшить занимаемый системой объем.

Еще один специальный вид турбонаддува — системы турбонаддува с использованием энер­гии волн сжатия, которые пока что не нашли применения в серийном производстве. Принцип действия основан на отражении волн сжатия во вращающемся секционном роторе (см. «Нагне­татели и турбонагнетатели»). Основным преи­муществом является очень высокое быстродей­ствие, обеспечивающее быстрое нарастание крутящего момента в переходных режимах. Од­нако применение таких систем связано с высо­кими затратами, а необходимость в отдельном приводе создает проблему нахождения соответ­ствующего свободного пространства.

Диаграмма объемного расхода

Картина зависимости работы нагнетателя от характеристик двигателя наглядно иллюстри­руется диаграммой «давление-объемный расход» (рис. «Графики зависимости степени повышения давления в нагнетателе от объемного расхода для объемного нагнетателя с принудительным приводом и турбокомпрессора» ), на которой степень повы­шения давления в нагнетателе πс соотносится с объемным расходом V.

Особенно иллюстративны графики для недросселированных четырехтактных двига­телей (дизельных), поскольку они содержат наклонные прямые линии (характеристики массового расхода двигателей), которые отра­жают возрастание объемного расхода воздуха по мере того, как степень повышения давле­ния

р1 давление наружного воздуха

р2 — давление наддува; возрастает при постоянной частоте вращения двигателя.

Диаграмма демонстрирует степень повы­шения давления при постоянных частотах вращения нагнетателя для нагнетателя с принудительным приводом и турбоком­прессора.

Только механические нагнетатели, у кото­рых производительность пропорциональна их частоте вращения, пригодны для двига­телей автомобилей. Это нагнетатели с при­нудительным приводом конструкции Roots. Турбокомпрессоры с механическим приво­дом непригодны.

Система рециркуляции отработавших газов

Система внешней рециркуляции отработавших газов (EGR) является эффективным средством снижения температуры в камере сгорания. Го­рячие отработавшие газы отводятся и охлажда­ются в охладителе системы EGR до температуры ниже 150 °С. Затем они смешиваются со све­жим воздухом и подаются в камеру сгорания. Уменьшение количества кислорода в свежей смеси и высокая теплоемкость рециркулирую­щих отработавших газов вследствие наличия в них составляющих Н2O и СO2 приводит к обра­зованию зоны горения, температура в которой, в зависимости от скорости рециркуляции от­работавших газов, снижена на несколько сотен градусов Цельсия. Благоприятными эффектами являются снижение содержания в выбросах ок­сидов азота NOх, а также снижение тепловых потерь и температуры компонентов цилиндра. Основной целью является снижение содержа­ния в отработавших газах токсичных продуктов.

Проблема, которую необходимо решить, заключается в транспортировке отработав­ших газов к стороне впуска свежего воздуха. Системы рециркуляции отработавших газов обычно применяются на двигателях с тур­бонаддувом. При этом имеют место два раз­личных подхода (рис. «Система рециркуляции отработавших газов (система EGR)» ). В случае системы рециркуляции отработавших газов низкого давления отработавшие газы отбираются по­сле прохождения через турбину, охлаждаются и снова подаются в воздушный компрессор. В случае системы рециркуляции отработавших газов высокого давления, которая, в частно­сти, предотвращает загрязнение компрессора и воздействие на него высоких тепловых на­грузок, рециркуляция отработавших газов осуществляется через сторону высокого дав­ления. При этом между сторонами впуска и выпуска должен поддерживаться надлежащий перепад давления, иначе возникает ухудшение условий протекания цикла заряда. Иногда ис­пользуются также флаттерные клапаны, т.е. клапаны, воспринимающие пульсации давления и открывающиеся только в случае превышения определенного порога давления на стороне выпуска отработавших газов.

Применение системы EGR

Системы EGR низкого давления уже нашли применение на легковых и коммерческих автомобилях и продолжают совершенство­ваться. Их привлекательными особенностями являются меньший неблагоприятный перепад давления (разность давлений на выходе из турбины и на входе воздушного компрессора). Однако, во избежание загрязнения компрессора такие системы требуют установки впускного фильтра твердых частиц. Следует также отметить более высокие тепловые нагрузки, которым подвергается компрессор.

Ссылка на основную публикацию