22. Наддув двигателей внутреннего сгорания. Устройство турбокомпрессора.
Наддув — увеличение количества свежего заряда горючей смеси, подаваемой в двигатель внутреннего сгорания, за счёт повышения давления при впуске. Позволяет повысит мощность двигателя.
Виды наддува
В ДВС применяют три типа наддува: резонансный –при котором используется кинетическая энергия объема воздуха во впускных коллекторах (нагнетатель в этом случае не нужен).
механический – в этом варианте компрессор приводится во вращение ремнем от двигателя.
газотурбинный (или турбонаддув) – турбина приводится в движение потоком отработавших газов.
Механический наддув. (воздух закачивается компрессором) .
Механические
нагнетатели позволяют довольно простым
способом существенно поднять мощность
мотора.
Имея привод непосредственно
от коленчатого вала двигателя, компрессор
способен закачивать воздух в цилиндры
при минимальных оборотах и без задержки
увеличивать давление наддува строго
пропорционально оборотам мотора.
Существует два вида механических нагнетателей: объемные и центробежные.
Конструкция Roots напоминает масляный шестеренчатый насос. Два ротора вращаются в противоположные стороны внутри овального корпуса. Оси роторов связаны между собой шестернями. Особенность такой конструкции в том, что воздух сжимается не в нагнетателе, а снаружи – в трубопроводе, попадая в пространство между корпусом и роторами.
Еще один способ нагнетать во впускной коллектор воздух под избыточным давлением в свое время предложил инженер Лисхольм .
Внутри
корпуса установлены два взаимодополняющих
винтовых насоса (шнека). Вращаясь в
разные стороны, они захватывают порцию
воздуха, сжимают и загоняют ее в цилиндры.
Центробежные нагнетатели по конструкции напоминают турбонаддув. Избыточное давление во впускном коллекторе также создает компрессорное колесо (крыльчатка). Его радиальные лопасти захватывают и отбрасывают воздух в окружной тоннель при помощи центробежной силы. Отличие от турбонаддува лишь в приводе.
Схема
управления механическим нагнетателем
довольно проста. При полной нагрузке заслонка перепускного
трубопровода закрыта, а дроссельная
открыта — весь поток воздуха поступает
в двигатель. При работе с частичной
нагрузкой дроссельная заслонка
закрывается, а заслонка трубопровода
открывается — избыток воздуха
возвращается на вход нагнетателя.
Турбокомрессор.
Принцип
действия турбокомпрессоров для наддува
ДВС заключается в следующем — выхлопные
газы ДВС, обладая большой скоростью и
большой температурой попадают на
сопловой аппарат турбины, где происходит
их максимальный разгон и подача на
рабочие лопатки турбины под правильным
углом, при подаче на рабочие лопатки
турбины происходит вращение турбины,
которая в свою очередь вращает крыльчатку
компрессора, насаженную на один вал с
колесом турбины.
Колесо компрессора
представляет собой вращающий направляющий
аппарат и крыльчатку, которые чаще
всего соединены вместе в одну деталь.
Двигатель с наддувом — устройство и принцип действия
Подходит к концу «железный» XX век. Наш любимец автомобиль был свидетелем и участником событий этого столетия, совершенствовался и трансформировался вместе с представлениями человека о массовом транспортном средстве. И в преддверии магической цифры 2000 есть смысл поговорить о важнейших технических принципах и решениях, применяемых в конструкции автомобиля, вспомнить об их истории и заглянуть в будущее. Применение наддува для воздухоснабжения двигателей внутреннего сгорания — одна из таких тем. Помимо исторического аспекта, разговор о наддуве имеет и чисто практический смысл — ведь машин, снабженных подобными устройствами, становится все больше и на наших дорогах.
Устройство и принцип работы роторно-шестирёнчатого компрессора типа Roots
НАДДУВ КАК ЛЕКАРСТВО ОТ ВЯЛОСТИ
О том как работает поршневой двигатель внутреннего сгорания, знали еше в прошлом веке.
Смесь воздуха и топлива после сжатия в цилиндре воспламеняется, при сгорании расширяется, толкая поршень и совершая полезную работу, и потом в виде отработавших газов вылетает в выхлопную трубу.
Как только на дорогах мира появились тарахтящие безлошадные экипажи с поршневыми моторами, началась борьба конструкторов за повышение мощности двигателей. Экстенсивный метод — сжечь в цилиндрах больше топлива, увеличивая рабочий объем, — повлек за собой появление десяти- и двенадцатилитровых многоцилиндровых монстров. А мысли о том. как интенсифицировать рабочие процессы и снять с двигателя больше лошадиных сил, привели мотористов к идее наддува.
Дело в том, что количество топлива, которое может сгореть в цилиндрах двигателя, жестко связано с объемом воздуха, засасываемого мотором внутрь при впуске. Соотношение масс — примерно 1 кг топлива на 15 кг воздуха — приходилось выдерживать очень строго, поскольку переобогащенная смесь приводила, наоборот, к падению мощности.
Как преодолеть это ограничение? Идея лежит на поверхности: подать в цилиндры больше воздуха, нагнетая его иод избыточным давлением!
Сначала появились приводные, или, иначе говоря, механические нагнетатели (superchargers) — роторного, винтового, поршневого, спирального типов, приводимые во вращение механической передачей от коленчатого вала двигателя. С подобными устройствами экспериментировал еще Готлиб Даймлер — его первые опыты с наддувом относятся к 1885 году — и, голом позже, Рудольф Дизель. Но орешек оказался крепким — и при реализации довольно простой идеи конструкторам пришлось столкнуться с массой технических трудностей.
Как это часто бывает, первыми механический наддув применили военные — на авиационных моторах, чтобы компенсировать ухудшение наполнения цилиндров при высотных полетах. И только после первой мировой войны полученный опыт позволил оснастить приводными нагнетателями бензиновые двигатели сначала гоночных, а потом спортивных и туристических автомобилей.
Идея наддува оказалась весьма плодотворной. Увеличиваем давление воздуха на 30% — получаем адекватный рост мощности двигателя. Прибавляем до 50% — снимаем еще больше «лошадей». И так до тех пор, пока… не развалится мотор — ведь сжатие теперь начинается не при атмосферном давлении внутри цилиндров, а при избыточном, и реальная компрессия при работающем нагнетателе будет выше. При этом растет не только мощность, но и тепловая и механическая нагрузка на детали двигателя.
Mercedes-Benz SSK—детище доктора Порше. Выставленные напоказ выхлопные патрубки — непременный атрибут «компрессорных» автомобилей — можно было заказать и на «атмосферный» двигатель |
Компрессор Roots монтировался перед 7-литровой «шестеркой», а его корпус и коллектор были снабжены ребрами —для лучшего охлаждения
Наиболее распространенная в наши дни схема газообмена с турбонаддувом и перепускным клапаном
У механических нагнетателей есть два основных достоинства. Во-первых, это практически безынерционная реакция на изменение подачи топлива и, во-вторых, широкий диапазон оборотов двигателя, при которых такой наддув эффективен.
Современные приводные компрессоры славятся тем, что работают с самых «низов», практически с холостых оборотов, поднимая крутящий момент там, где его нехватка ощущается сильнее всего.
Но есть и недостатки. Сравнительная «высокооборотность» приводных нагнетателей (до 20000 об/мин и более) порождает технологические трудности в изготовлении, а довольно большие размеры приводят к компоновочным проблемам: внутри современных моторных отсеков ведь яблоку негде упасть…
А самый главный минус такой схемы в том, что энергия для работы нагнетателя отбирается от коленчатого вала, отнимая пусть небольшую, но все же заметную, около 10%, долю крутящего момента. Конечно, это компенсируется ростом давления наддува, но все же…
ЭНЕРГИЯ ИЗ НИОТКУДА
Приводные компрессоры тех лет были очень сложными и малонадежными. Например, нагнетатель того самого легендарного MercedesBenz SSK.L должен был подключаться только на высоких оборотах (порядка 4000 об/мин) и больших скоростях и только на 20 секунд — чтобы оторваться от соперника или завершить обгон.
При этом компрессор издавал душераздирающий визг: его роторы вращались вчетверо быстрее коленчатого вала, быстро сокращая ресурс двигателя и свой собственный. Недаром сэр Бентли, чьи машины были тогда основными соперниками творений Порше на гонках, нагнетатели недолюбливал, но их против его воли ставили на 4,5-литровые моторы по заказам гонщиков.
Таков характер изменения крутящего момента и удельного расхода топлива двигателя ВАЗ-2106 с турбонагнетателем НАМИ (1 — штатный двигатель, 2 — мощностный вариант настройки турбокомпрессора, 3 — экономичный вариант)
Этого недостатка лишен газотурбинный или просто турбонаддув. Его питают энергией выхлопные газы двигателя, которые обычно попросту вылетают в трубу, унося с собой и рассеивая в атмосфере чуть меньше половины всей энергии сгорания топлива.
В отличие от приводных нагнетателей, конструкции которых сильно рознятся в зависимости от типа, все турбокомпрессоры работают по одному принципу и имеют схожее устройство.
К выходному фланцу выпускного коллектора мотора вместо приемной трубы крепится корпус турбины — литая «улитка», внутри которой под действием потока выхлопных газов вращается турбинное колесо. Момент передается на соосное колесо компрессора, которое вращается в своей «улитке», засасывая поступающий через фильтр воздух и подавая его под давлением в карбюратор или во впускной коллектор. При этом улучшается наполнение цилиндров и повышается мощность двигателя.
Столь же простая, сколь и гениальная, идея турбонаддува оказалась чрезвычайно сложной в реализации. Температура выхлопных газов, которую должна выдерживать турбина — 900—950 °С, а рабочие обороты турбокомпрессора исчисляются десятками и даже сотнями тысяч оборотов в минуту! Газотурбинным наддувом занимались еще в начале века — швейцарский инженер Альфред Бюхи ставил свои первые опыты до первой мировой войны. Как и приводные компрессоры, турбонаддув сначала появился на авиационных двигателях. Например, француз профессор Рато в 1919 году оснастил мотор аэроплана Breguet турбокомпрессором и промежуточным охладителем (!) — и «наддутый» аэроплан немедленно побил рекорд высоты, прорвавшись за десятикилометровый рубеж
Но основным препятствием широкому применению турбонаддува вплоть до 60-х годов оставалось отсутствие недорогой технологии высокоточного литья из жаропрочных материалов.
Первым серийным автомобилем с бензиновым двигателем, оснащенным турбонадяувом, стал печально знаменитый заднемоторный Chevrolet Corvair — тот самый, «опасный на любой скорости». Оппозитная «шестерка» воздушного охлаждения, которая в безнаддувном варианте отдавала со своих 2300 «кубиков» 95 л. е., в турбоверсии на спайдере Corvair Monza 1961 года развивала 140, а позже 180 л. е.!
Но избыточная поворачиваемость, которая поначалу была свойственна этому неординарному «американцу», погубила Corvair — после нашумевшей книги адвоката Ральфа Найдера «Unsafe at any speed» спрос на машину резко упал, и даже последующие модернизации не смогли реабилитировать Corvair в глазах консервативных янки. Тень дурной славы пала и на ни в чем не повинный турбонаддув…
Ротор турбокомпрессора: вверху — новенький, внизу — загубленный некачественной смазкой
Упорный и осевой подшипники из свинцовистой бронзы, жизнь которых безвременно оборвалась из-за разгильдяйства хозяев.
..
Моментные кривые трех двигателей Volkswagen: «атмосферного» 1,8-литрового, 1,5-литрового 16клапанного и 1,3-литрового с турбонаддувом (turbo) и механическим нагнетателем (kompr.)
Различия в задержке отклика на увеличение подачи топлива (обороты двигателя — 2300 об/мин, IV передача). Турбокомпрессор «думает» на секунду дольше, чем приводной нагнетатель!
Следующее появление турбокомпрессора на легковых машинах произошло только спустя десятилетие в матушке Европе — 1600 резвых BMW 2002 turbo, выпущенных фирмой с 1973 по 1974 год, особой погоды не сделали, но показали путь другим. Эру массовых турбомоторов огкрыли автомобили Porsche (911 turbo, 1974 год) и SAAB 99 turbo, 1978). Ну а после 980 гола технологические преграды рухнули, и турбоверсии появились в модельном ряду почти у всех ведущих производителей.
На дизельных моторах турбонаддув обосновался раньше, но не на легковых, а на тяжелых транспортных — судовых, танковых, грузовых… Дело в том, что адаптировать турбоагрегат под дизельный двигатель проще, чем под бензиновый: в дизелях энергия выхлопных газов на малых оборотах больше.
И турбине работать проще — температура выхлопных газов дизеля не поднимается выше 650—700″С. Инициатором массового применения турбодизелей на гражданских грузовиках выступила в 1958 году фирма DAF. А на легковых автомобилях турбодизели стали появляться только в начале 80-х годов, когда между ведущими автопроизводителями уже вовсю шла ожесточенная топливными кризисами и протестами «зеленых» борьба за снижение расхода топлива и загрязнения воздуха.
ЧТО СКРЫТО в «УЛИТКАХ»
Как уже упоминалось, несмотря на простоту идеи, турбокомпрессор очень сложен в проектировании и изготовлении. А для легкового автомобиля — в особенности.
Поскольку требования компактности удорожают процесс литья деталей. Именно поэтому за изготовление турбокомпрессоров берутся только специализированные ирмы — Garrett (США), КК (Германия), Holset (Англия), IHI (Япония), — и автомобильным фирмам дешевле покупать агрегаты у них. Исключение составляют Mitsubishi и Nissan, которые осилили выпуск турбокомпрессоров самостоятельно и даже продают их «на сторону» (например, агрегатами Mitsubishi комплектовал свои двигатели SAAB).
Корпус турбокомпрессора и «улитку» турбины отливают из специального ковкого чугуна, обладающего высокой жаропрочностью, но, увы, способного дать трещину при резком перепаде температур — например, при попадании воды. Внутри корпуса в подшипниках скольжения из свинцовистой бронзы вращается ось, с одной стороны которой находится приваренное турбинное колесо из жаростойкого сплава, а к другому концу крепится крыльчатка компрессора — она, как и ее «улитка», не столь теплона гружена, что позволяет отливать эти детали из алюминиевых сплавов.
От осевых перемещений вал удерживает упорный подшипник, выполненный в виде широкой шайбы с прорезью. Все подшипники смазываются моторным маслом, которое поступает под давлением из системы смазки двигателя — к корпусу турбокомпрессора подходят подводящая и сливная масляные магистрали. Встречаются и агрегаты с водяным охлаждением, но редко
Вал с крыльчатками после сборки тщательно балансируется — малейший дисбаланс вызовет вибрацию ротора и неизбежно выведет турбокомпрессор из строя.
Ведь рабочие обороты вала могут превышать 200000 об/мин!
Поначалу турбокомпрессорам были свойственны очень большие задержки «в отклике»: вы уже нажали на педаль газа, а мотор все ждет, ждет… Это — так называемое турбозапаздывание — turbolag. А еще — отказывались работать при малых и средних оборотах, когда невелико давление выхлопных газов («турбояма» — провал моментной характеристики двигателя до 2500—3500 об/мин). Например, турбокомпрессор на Chevrolet Corvair начинал работать только после того, как «оппозитник» раскручивался до 5000 об/мин — практически до максимальных оборотов. С этим боролись, уменьшая массу и момент инерции ротора. При этом возрастало давление наддува в зоне малых оборотов, но по мере их набора образовывались излишки, которые необходимо «стравливать», чтобы у мотора не случился «гипертонический криз».
Кривые, иллюстрирующие «тепловой удар» подшипников турбокомпрессора при остановке двигателя. Температура выхлопных газов —950 °С
Поэтому все турбокомпрессоры бензиновых, а позже и дизельных, двигателей стали снабжать регулятором давления наддува.
Как правило, он срабатывает при определенном пороговом значении давления наддувочного воздуха в компрессоре — воздух давит на мембрану, преодолевая сопротивление тарированной пружины, и посредством механической тяги приоткрывает перепускной клапан в корпусе турбины, отводя часть выхлопных газов мимо турбинного колеса. Раньше встречались другие схемы регулирования — например, по давлению самих выхлопных газов. А теперь на современных моторах этим заведует электроника.
Конечно, при перепуске падает КПД афегата, но избежать этого, регулируя производительность турбокомпрессора другим способом — например, изменяя в зависимости от оборотов ротора угол воздействия потока выхлопных газов на лопатки турбины, — удается пока немногим. Турбокомпрессоры с изменяемой геометрией соплового аппарата, в которых пневмомеханическим приводом регулируется угол наклона лопаток сопла, выпускают лишь Garrett и несколько других ведущих фирм.
БОЛЕЗНИ И УХОД
Агрегат турбонаддува выполнен как необслуживаемый, то есть никакого специфического ухода и регулировки он не требует и после выработки ресурса, как правило, равного или превышающего ресурс самого мотора, подлежит замене.
Однако можно сформулировать несколько простых рекомендаций, которые вооружат владельца автомобиля с турбодвигателем знанием ситуаций, в которые попадать нежелательно.
Подшипники ротора — это главный узел турбокомпрессора, от которого в основном зависит работоспособность всего агрегата. И нуждаются они главным образом в обильной и высококачественной смазке. Поэтому простейший совет — регулярно, по инструкции, менять фильтр и масло в двигателе и следить за его уровнем — для хозяина турбомотора должен стать железной заповедью. Масло может быть как на синтетической, так и на минеральной основе — это не столь существенно. Вообще, при выбор» типа смазки лучше руководствоваться заводскими указаниями и ни в коем случае не смешивать масла, даже одного типа, но разных сортов. Главное — класс качества масла по API должен быть не ниже SG/CD. Именно этот индекс свидетельствует о качестве пакета присадок, которые должны быть рассчитаны на работу в напряженнейшей зоне подшипникового узла турбокомпрессора, где и условия трения, и температура масла могут достигать экстремальных значений.
Но масло не только смазывает подшипники, но и охлаждает узел, поддерживая температуру на допустимом уровне. Если условия смазки ухудшаются — например, долго не меняли масло, и отложения снизили пропускную способность магистралей, — то масло начинает застаиваться в подшипниковом узле, что увеличивает теплонапряженность, и это вызывает закоксовывание и еще большее засорение магистрали. В итоге подшипники рано или поздно остаются сухими, а за этим следует их задир и поломка всего агрегата.
Еще один узел турбокомпрессора, исправность которого отражается и на состоянии «здоровья» двигателя — газомасляные уплотнения оси ротора, обычно выполнение в виде упругих стальных колец типа поршневых. Они изолируют систему смазки от впускной и выпускной полостей турбонагнетателя, и при их износе — а это обычно следует за радиальным биением ротора или люфтом его оси — масло начинает выдавливаться в полость компрессора, попадает в цилиндры и сгорает с характерным сизым дымком.
Владелец грешит на «поршневую», а дело-то в турбокомпрессоре!
Поначалу этот эффект проявляется при запуске остывшего двигателя — клуб сизого дыма из выхлопной трубы может свидетельствовать о начавшемся износе подшипникового узла и уплотнений. Но точно так же проявляется и износ, например, маслосъемных колпачков или направляющих втулок клапанов самого двигателя…
Кстати, похожую картину может вызвать… засоренный воздушных фильтр! Когда он оказывает значительное сопротивление впуску, в коллекторе, особенно на холостых оборотах в бензиновых двигателях, возникает повышенное разрежение, на которое уплотнения просто не рассчитаны.
Влияет на работоспособность турбокомпрессора и состояние самого двигателя. Например, при износе поршневых колец возникающее избыточное давление картерных газов может препятствовать сливу масла из турбоагрегата — с соответствующими последствиями. Тот же самый эффект наблюдается и при ухудшении вентиляции картера. А нарушение топливных регулировок — неисправность системы впрыска — может привести к тому, что образующийся при неполном сгорании топлива нагар будет откладываться на колесе турбины и перепускном клапане, вызывая дисбаланс ротора и мешая нормальной работе регулятора давления.
Об исправности турбонагнетателя можно судить как по динамике разгона, так и по давлению наддувочного воздуха. Как правило, все автомобили с бензиновыми турбомоторами снабжены стрелочными указателями давления наддува в комбинации приборов. На холостом ходу стрелка прибора демонстрирует разрежение во впускном коллекторе и на «прогазовки» без нагрузки реагирует слабым отклонением. А вот при разгоне, скажем, на третьей передаче с небольших оборотов хорошо видно, как после открытия дроссельной заслонки «в пол» давление наддува (и ускорение автомобиля) нарастает сначала медленно, а потом — в районе 2000—2500 об/мин на современных машинах — стрелка резко уходит вправо до упора, из-под капота доносится приглушенный свистящий звук турбины, и автомобиль мощно устремляется вперед. Кому-то этот «турбокайф» нравится, кому-то мешает прогнозировать реакцию машины на изменение подачи топлива — это дело вкуса. В конце концов, некоторые фирмы (Opel, Citroen, SAAB) предлагают самые «заряженные» версии или с «взрывными» четырехцилиндровыми турбомоторами, или с «ровными» и более тяговитыми на малых оборотах «шестерками».
..
И наконец, немного «ездовых» рекомендаций. Особенных требований к прогреву турбодвигателей нет — исправная система смазки с нормальным фильтром обеспечивает мгновенную подачу масла к подшипникам нагнетателя. А вот при выключении двигателя после напряженной езды, когда мотор длительное время работал под большой нагрузкой на высоких оборотах, лучше дать ему поработать минутудругую на холостом ходу. Дело в том, что прекращение циркуляции масла после интенсивной работы вызывает «тепловой удар» — охлаждение резко прекращается, и масло в корпусе подшипников турбоагрегата нагревается до трехсот градусов, закоксовываясь и образуя отложения. А в крайнем случае — например, при остановке после долгой пробуксовки в грязи, когда «улитка» турбины раскаляется докрасна,— могут подклинить и даже расплавиться подшипники ротора…
Турбокомпрессор Garrett VNT25 с изменяемой геометрией соплового аппарата. С 1991 года он устанавливается на дизельный автомобиль Fiat Croma 2,5 TD
В лаборатории турбонаддува НАМИ полным ходом идет адаптация турбокомпрессора к «восьмерочному» мотору.
Результаты не за горами…
А перед преодолением водных преград нужно оценить глубину брода — чугунный корпус турбины после «водных процедур» может треснуть, особенно на бензиновых моторах, где он сильнее нагрет.
«ЗА» И «ПРОТИВ» ТУРБОНАДДУВА
Начнем с минусов. Двигатель с турбонаддувом (да и с наддувом вообще) сложнее и дороже и в производстве, и в эксплуатации — ему требуется самое лучшее масло, да и менять смазку нужно почаще. До сих пор не удается избежать «турбоямы» и запаздываний, свойственных газотурбинному наддуву. Уменьшить эти явления может применение двух последовательно включенных турбокомпрессоров, «настроенных» по-разному — такая схема называется biturbo и широко применялась в автоспорте, а на легковых автомобилях ее впервые установила на одноименный автомобиль фирма Maserati. Но, увы, «битурбированный» мотор обходится еще дороже.
И, конечно, большие нагрузки испытывает сам двигатель, причем рост теплонапряженности и механических нагрузок пропорционален увеличению давления наддува (а значит, и мощности). Поэтому на серийных турбомоторах ограничивают давление до 0,3—0,8 кг/кв.см, обходясь весьма скромной по спортивным меркам форсировкой на 30—50%. Зато это позволяет, усилив детали двигателя (поршень, шатун и т. д.), сохранить ресурс мотора на «атмосферном» уровне.
Безболезненно повысить давление еще процентов на 10—20 позволяет промежуточный охладитель наддувочного воздуха (intercooler), который представляет из себя алюминиевый радиатор-теплообменник, включенный во впускной тракт между компрессором и коллектором. Он довольно эффективно снижает температуру сжатого воздуха и теплопоток через двигатель, позволяя сжечь в цилиндрах больше топлива без риска возникновения детонации. Но — опять же недешев…
Ну а плюсы турбонаддува — повышение литровой мощности, КПД двигателя, улучшение разгонной динамики, эластичности и (по сравнению с «атмосферным» мотором одинаковой мощности) топливной экономичности, — очевидны. К тому же, применение наддува позволяет уменьшить количество токсичных выбросов — СО и СН, а при промежуточном охлаждении воздуха еще и окислов азота NOx.
А в последнее время появляются новые аргументы в пользу наддува.
XXI ВЕК — С НАДДУВОМ ИЛИ БЕЗ?
Начиная со второй половины 80-х годов, ведущие автомобилестроительные фирмы мира вкладывают миллионы долларов в научно-исследовательсие работы по уменьшению токсичности, снижению расхода топлива, одновременно стремясь повысить литровую мощность. Постепенно внедряя такие решения, как замена карбюратора впрыском, электронная оптимизация режимов работы, каталитическая нейтрализация, резонансный впуск и выпуск, регулируемые фазы, инженеры довели четырехтактный двигатель Отто почти до совершенства. Осталось применить на бензиновых моторах непосредственный впрыск, что и делают сейчас одними из первых Mitsubishi и Subaru. А что дальше?
Похоже, что в начале следующего столетия двигатель внутреннего сгорания все же будет преобладать над другими альтернативными силовыми установками. И, чтобы обеспечить очень жесткие нормы по токсичности, известные как Euro 3, конструкторам придется искать новые пути кардинальной модернизации поршневых моторов.
И скорее всего, при этом забыть про наддув не удастся.
Один из путей — создание двигателей, реализующих циклы с внутренним охлаждением (циклы Миллера—Аткинсона) с обязательным применением наддува или механического, или комбинированного.
Второй путь — переход на… двухтактный цикл! Теоретически он может обеспечить лучшие показатели, и поэтому наследники смешных моторчиков DKW крутятся теперь на испытательных стендах Ford и Jaguar. Опять-таки вооруженные наддувом…
Третье направление — применение наряду с непосредственным впрыском различных схем наддува для обеспечения работы бензиновых двигателей на сверхобедненных смесях. Одни предлагают для этого комбинацию отключаемого приводного нагнетателя для малых оборотов и турбонаддува для средних и высоких. Ну а некоторые продолжают работать над еше одним типом агрегата наддува — волновым обменником давления
Сотргех, сочетающим достоинства всех традиционных видов нагнетателей, но исключительно сложным в разработке и производстве.
Идет совершенствование и старого доброго турбонаддува. Благодаря применению керамики и спецпластмасс снижается масса и момент инерции ротора, подшипники на газовой смазке и новые уплотнения позволят снизить потери на трение…
Так что мы стоим на пороге новых значительных изменений в конструкции двигателей — и Авторевю, несомненно. будет уделять внимание любым интересным новшествам. Жаль, что Россия в этой гонке — безнадежный аутсайдер.
Хотя наши отечественные разработки, пожалуй, могли бы составить конкуренцию «потрохам» концепт-каров именитых фирм. Приятно, что лаборатория турбонаддува НАМИ на голом энтузиазме продолжает научный поиск и практические разработки. Например, сделан и «обкатан» агрегат турбонаддува для «классических» двигателей ВАЗ, готовится турбонагнетатель для «восьмых» моторов. Позже мы о них расскажем подробнее. Кстати, тем бедолагам, кто мучается с неисправным турбонаддувом иномарок, здесь постараются помочь…
А.
АЗБЕЛЬ Л. ГОЛОВАНОВ
Почему большее ускорение не всегда означает большую мощность
Знаете ли вы, что большее ускорение не всегда приводит к увеличению мощности? Если вы этого не сделали, мы дадим вам несколько причин, почему это так, и что действительно может повлиять на мощность, которую вы надеетесь получить.
Автолюбители хотят модернизировать свой автомобиль, чтобы двигаться быстрее, однако распространенное мнение, что турбокомпрессор может выполнить эту задачу, в некоторых случаях может не соответствовать действительности. Это не меняет того факта, что более высокое давление турбонаддува помогает двигателю развивать большую мощность, хотя большее наддув не всегда означает большую мощность.
Последнее может быть связано с тем, что на скорость вашей поездки также влияет множество факторов. При этом мы продолжим и покажем вам, когда в определенных случаях все может измениться.
Что такое Turbo Boost?
Турбокомпрессоры — это воздушные компрессоры, функционирующие так же, как нагнетатели.
Эти компрессоры подают в двигатель больше воздуха, чем поршень мог бы проглотить сам по себе, и этот воздух скапливается во впускном коллекторе, создавая тем самым давление.
Давление называется наддувом и выражается в фунтах на квадратный дюйм (PSI). Турбокомпрессор может перемещать достаточно воздуха, чем двигатель может использовать даже при низком давлении, тем самым вызывая мгновенный наддув, влияющий на мощность.
Чем больше давление турбонаддува, тем больше мощность двигателя. Кроме того, форсирование двигателя с помощью турбокомпрессора помогает увеличить не только мощность двигателя, но и его крутящий момент.
Что вызывает смену власти?
Представьте себе, что у вас есть два автомобиля с турбонаддувом и одинаковым двигателем с одинаковым рабочим объемом. Эти два автомобиля способны развивать наддув в 20 фунтов на квадратный дюйм, однако один из них обеспечивает большую мощность, чем другой.
Это было бы довольно удивительно, хотя вполне возможно.
Но вот почему то, что описано выше, может иметь место:
Исходя из сценария, описанного для транспортных средств выше, они могут не обеспечивать одинаковую мощность, несмотря на одинаковое повышение их давления. Основным фактором, также влияющим на выходную мощность, является температура воздуха, поступающего в двигатель.
Например, если у одной из машин меньший по размеру и менее эффективный турбонагнетатель, он будет работать усерднее и вращаться еще быстрее, пытаясь достичь наддува в 20 фунтов на квадратный дюйм. Тот факт, что турбокомпрессор вращается быстро, заставляет воздух больше нагреваться и, следовательно, быть менее плотным.
Можно сказать, что турбокомпрессор работает против самого себя, так как его быстрое вращение приводит к слишком сильному нагреву воздуха. Когда воздух менее плотный, это означает, что в двигатель не поступает достаточно кислорода, что могло привести к сжиганию большего количества топлива и увеличению выходной мощности.
Также следует обратить внимание на следующее:
Сжатый воздух также может вызвать нагрев воздуха. В результате плотность кислорода снижается, а вероятность детонации в цилиндре увеличивается. В этом случае вы можете не получить больше лошадиных сил, несмотря на одинаковый рабочий объем обоих транспортных средств.
б. Адиабатический КПДАдиабатический КПД (AE) определяет, насколько хорошо турбонагнетатель сжимает воздух без чрезмерного выделения тепла. В этом случае диапазон AE компрессора определяется отношением создаваемого им давления к количеству воздуха, которое он может пропустить. Кроме того, компрессоры имеют «золотое пятно», где они могут работать с максимальной эффективностью.
2. Отсутствие интеркулера Можно утверждать, что обе машины имеют одинаковый турбонагнетатель, что должно было привести к одинаковой мощности. Тем не менее, еще одним фактором, который может вызвать разницу в выходной мощности, является интеркулер.
Если в автомобиле отсутствует интеркулер, это означает, что воздух с турбонаддувом не охлаждается перед подачей в двигатель. По сравнению с автомобилем, в котором есть этот компонент, воздух горячее и в нем меньше кислорода. Следовательно, ограничение такого рода также может повлиять на выходную мощность.
3. Впускные каналы большего размераКогда дело доходит до использования нагнетателей, можно добиться большей мощности с меньшим наддувом за счет использования впускных каналов большего размера. Что это делает, так это ограничивает поток воздуха, из-за чего в цилиндры поступает больше воздуха. Соответственно, ограничение потока воздуха на высоких оборотах может привести к перемещению большего количества воздуха, тем самым помогая двигателю производить больше мощности.
4. Неисправный турбонагнетатель Турбокомпрессоры создают давление воздуха перед его подачей в двигатель, что помогает создать давление наддува. Тем не менее, неисправный турбонаддув может привести к замедлению работы вашего двигателя, поэтому вам нужно обратить внимание на эти симптомы, чтобы определить, нужно ли проверить ваш. Некоторые из этих признаков включают потерю нормального давления наддува и мощности, повышенный расход масла, турбошум, чрезмерное дымление выхлопных газов и т. д.
Воздушный поток важнее наддува?
Изучив причины, изложенные выше, вы согласитесь, что это больше касается воздушного потока. Таким образом, больше внимания следует уделять воздушному потоку, и вы сможете достичь необходимой мощности. Например, использование высокого давления наддува только в качестве компенсации плохого потока воздуха через головку блока цилиндров может привести к низкой выходной мощности.
Наоборот, ваше стремление к большей мощности будет достигнуто, если двигатель будет построен правильно, благодаря чему наддув, хороший поток воздуха через головки цилиндров, а также впускной и выпускной коллекторы будут лучше влиять на мощность.
Это позволит снизить наддув на несколько фунтов и в то же время сохранить те же уровни мощности и крутящего момента. В итоге вы получаете более холодный, более октаноустойчивый двигатель, выдающий большую мощность.
Итоги
Вот некоторые из причин, по которым наддув может не привести к увеличению мощности, поскольку поступление большего количества кислорода в двигатель также является решающим фактором. Поэтому, если вы хотите увеличить мощность своей поездки с помощью турбокомпрессора, важна эффективность, с которой воздух поступает в автомобиль — это может иметь большое значение, чтобы сделать ваши усилия более полезными.
Кроме того, в этом случае могут оказаться полезными такие компоненты, как промежуточный охладитель. Имея это и многое другое, ваше стремление к большей скорости может быть удовлетворено вашей поездкой.
Датчик вакуума/наддува или датчик только наддува?
- Главная|
- Блог|
- технический разговор
Технический разговор
29 марта 2019 г.
Любой газовый двигатель естественно производит измеримый вакуум каждый раз, когда он работает. Это результат движения поршней вниз при открытых впускных клапанах. Вот как он всасывает воздушно-топливную смесь. Когда дроссельная заслонка закрыта или открыта только частично, у вас будет более высокое значение вакуума из-за ограничения, создаваемого вашей заслонкой дроссельной заслонки.
При более сильном дросселе (более высокий процент открытия дросселя) вы уменьшаете степень ограничения, и воздух может проходить более свободно, поэтому показания вакуума будут ниже.
Часто в прошлом компании (включая нас несколько десятилетий назад), в том числе OEM-производители, выставляли на рынок или продавали экономичный манометр, который был просто вакуумметром. Чем выше показания вакуума, тем лучше будет пробег из-за открытия дроссельной заслонки.
Что такое буст? Если вы используете нагнетатель (например), он всегда вращается и всегда перемещает воздух, хотя и не всегда создает «ускорение». Наддув — это когда положительное давление нагнетателя становится больше, чем отрицательное давление (вакуум), создаваемое двигателем. Наддув на двигателе с наддувом обычно происходит только тогда, когда открытие дроссельной заслонки находится на полном газу или близко к нему, при большой нагрузке и может увеличиваться при более высоких оборотах. Вакуум становится равным нулю, и возникает давление, которое является результатом того, что нагнетатель нагнетает воздух/топливо в цилиндры. Наддув двигателя с турбонаддувом может произойти намного раньше, чем у некоторых двигателей с наддувом, хотя (особенно на уличном автомобиле) двигатель все равно будет проводить большую часть своего времени в вакууме.
Чем это полезно? Вы можете использовать вакуум для максимальной экономичности, а также увидеть, когда ваш наддув переходит в режим (относительно открытия дроссельной заслонки и нагрузки), что может быть полезно для целей настройки. Вакуумметр также может быть индикатором возможных плохих условий работы, таких как незакрепленные направляющие клапанов, негерметичные клапаны и т. д. с помощью шатающейся вакуумной стрелки. Предпочтителен устойчивый указатель, который плавно (плавно) реагирует на газ и нагрузку. Дрожащая или вибрирующая стрелка указывает на потенциальную проблему с двигателем.
Датчик наддува (только для наддува) следует рассматривать только для дизельных двигателей, поскольку они не создают вакуум и проводят много времени в наддуве, или для гоночного автомобиля, который большую часть своей жизни проводит четверть мили при время при полностью открытой дроссельной заслонке.
Установка манометра только для наддува на газовом двигателе в большинстве случаев даст плохие результаты, а в некоторых случаях показания могут даже не отображаться в WOT. Типичный датчик только для наддува может не начать реагировать до 5 фунтов на квадратный дюйм. Таким образом, если у вас есть газовый двигатель, который проводит большую часть своей жизни в вакууме (как и большинство из них), и почти никогда не находится под наддувом (сравнительно) и развивает наддув всего в несколько фунтов, вы можете никогда не увидеть, как датчик движется или показывает.