Наддув двигателя: Как этот работает: наддув двигателя

Наддув двигателя (двс)

Задача повышения мощности и крутящего момента двигателя была актуальна всегда. Мощность двигателя напрямую связана с рабочим объемом цилиндров и количеством подаваемой в них топливо-воздушной смеси. Т.е., чем больше в цилиндрах сгорает топлива, тем более высокую мощность развивает силовой агрегат. Однако самое простое решение – повысить мощность двигателя путем увеличения его рабочего объема приводит к увеличению габаритов и массы конструкции.

Количество подаваемой рабочей смеси можно поднять за счет увеличения оборотов коленчатого вала (другими словами, реализовать в цилиндрах за единицу времени большее число рабочих циклов), но при этом возникнут серьезные проблемы, связанные с ростом сил инерции и резким увеличением механических нагрузок на детали силового агрегата, что приведет к снижению ресурса мотора. Наиболее действенным способом в этой ситуации является наддув.

Представим себе такт впуска двигателя внутреннего сгорания: мотор в это время работает как насос, к тому же весьма неэффективный – на пути воздуха находится воздушный фильтр, изгибы впускных каналов, в бензиновых моторах – еще и дроссельная заслонка.

Все это, безусловно, снижает наполнение цилиндра. Ну а что требуется, чтобы его повысить? Поднять давление перед впускным клапаном – тогда воздуха в цилиндре “поместится” больше. При наддуве улучшается наполнение цилиндров свежим зарядом, что позволяет сжигать в цилиндрах большее количество топлива и получать за счет этого более высокую агрегатную мощность двигателя.

В ДВС применяют три типа наддува:

• резонансный –при котором используется кинетическая энергия объема воздуха во впускных коллекторах (нагнетатель в этом случае не нужен)
• механический – в этом варианте компрессор приводится во вращение ремнем от двигателя
• газотурбинный (или турбонаддув) – турбина приводится в движение потоком отработавших газов.

У каждого способа свои преимущества и недостатки, определяющие область применения.

Содержание статьи

• 1 Резонансный наддув
• 2 Механический наддув
• 3 Газотурбинный наддув
• 4 Комбинированные системы
• 5 Рекомендации

Резонансный наддув

Настраиваемый впускной коллектор

Как уже отмечалось в начале статьи, для лучшего наполнения цилиндра следует поднять давление перед впускным клапаном. Между тем повышенное давление необходимо вовсе не постоянно – достаточно, чтобы оно поднялось в момент закрытия клапана и «догрузило» цилиндр дополнительной порцией воздуха. Для кратковременного повышения давления вполне подойдет волна сжатия, «гуляющая» по впускному трубопроводу при работе мотора. Достаточно лишь рассчитать длину самого трубопровода, чтобы волна, несколько раз отразившись от его концов, пришла к клапану в нужный момент.

Теория проста, а вот воплощение ее требует немалой изобретательности: клапан при разных оборотах коленчатого вала открыт неодинаковое время, а потому для использования эффекта резонансного наддува требуются впускные трубопроводы переменной длины. При коротком впускном коллекторе мотор лучше работает на высоких оборотах , при низких оборотах более эффективен длинный впускной тракт. Переменные длины впускных трубопроводов можно создать двумя способами: или путем подключения резонансной камеры, или через переключение на нужный впускной канал или его подключение. Последний вариант называют еще динамическим наддувом. Как резонансный, так и динамический наддув могут ускорить течение впускного столба воздуха.

Эффекты наддува, создаваемые за счет колебаний напора воздушного потока, находится в диапазоне от 5 до 20 миллибар. Для сравнения: с помощью турбонаддува или механического наддува можно получить значения в диапазоне между 750 и 1200 миллибар. Для полноты картины отметим, что существует еще инерционный наддув, при котором основным фактором создания избыточного давления перед клапаном является скоростной напор потока во впускном трубопроводе. Дает незначительную прибавку мощности при высоких (больше 140 км/ч) скоростях движения. Используется в основном на мотоциклах.

Механический наддув

Механические нагнетатели (по англ. supercharger) позволяют довольно простым способом существенно поднять мощность мотора.
Имея привод непосредственно от коленчатого вала двигателя, компрессор способен закачивать воздух в цилиндры при минимальных оборотах без задержки увеличивать давление наддува строго пропорционально оборотам мотора. Но у них есть и недостатки. Они снижают КПД ДВС, так как на их привод расходуется часть мощности, вырабатываемой силовым агрегатом. Системы механического наддува занимают больше места, требуют специального привода (зубчатый ремень или шестеренчатый привод) и издают повышенный шум.

Механические нагнетатели

Существует два вида механических нагнетателей: объемные и центробежные.

Типичными представителемя объемных нагнетателей являются нагнетатель Roots и компрессор Lysholm.

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

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

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

Еще один способ нагнетать во впускной коллектор воздух под избыточным давлением в свое время предложил инженер Лисхольм (Lysholm). Его детище окрестили винтовым нагнетателем, или «double screw» (двойной винт). Конструкция наддува Лисхольма чем-то напоминает обычную мясорубку.
Внутри корпуса установлены два взаимодополняющих винтовых насоса (шнека). Вращаясь в разные стороны, они захватывают порцию воздуха, сжимают и загоняют ее в цилиндры. Характерна такая система внутренним сжатием и минимальными потерями, благодаря точно выверенным зазорам.
Кроме того, винтовые наддувы эффективны практически во всем диапазоне оборотов двигателя, бесшумны, очень компактны, но чрезвычайно дороги из-за сложности в изготовлении. Однако ими не брезгуют такие именитые тюнинг-ателье, как AMG или Kleemann.

Механический наддув

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

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

Интеркулер

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

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

Газотурбинный наддув

Турбокомпрессор

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

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

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

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

VNT турбокомпрессор

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

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

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

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

Комбинированные системы

Двухступенчатый наддув

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

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

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

Рекомендации

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

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

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

Системы наддува двигателя

Содержание

• Способы повышения мощности двигателя
• Виды по способу создания давления
  • Roots
  • Lysholm
  • Центробежный тип
• Типы привода, их достоинства и недостатки
• Иные проблемы

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.

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

Варианты исполнения систем наддува

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

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

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

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

Напоследок отметим, что выше указаны только одни из основных проблем, связанных с принудительной подачей воздуха в цилиндры, в действительности их больше.

К ним можно отнести передув и помпаж.

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

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

Клапан blow-off

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

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

Общие сведения о Turbo Boost

Сценарии (JavaScript) отключены в вашем браузере.
Без него этот сайт не будет работать должным образом.

01.04.2021 — Пол Бертуччи

Как превратить взрыв в толчок?

Название игры внутреннего сгорания — преобразование тепловой энергии в движение. Внутри двигателя мы воспламеняем топливо, такое как бензин, и горячие, расширяющиеся топливно-воздушные газы давит на поршни. Поршни, перемещающиеся вверх и вниз, соединены с вращающимся коленчатым валом в нижней части двигателя, превращая это вертикальное движение в возвратно-поступательное. Подключите все это к трансмиссии, соединенной с колесами, и вперед!

Как сделать более мощные взрывы для большей тяги?

Если вы когда-нибудь разжигали костер, чтобы приготовить смор, вы, вероятно, помните три части «огненного треугольника»: воздух, топливо и источник воспламенения. Это то же самое у вашего костра, что и внутри вашего двигателя, когда воздух поступает во впускное отверстие, смешивается с топливом из ваших топливных форсунок и получает воспламенение от ваших свечей зажигания.

Если мы хотим увеличить мощность, нам нужно убедиться, что у нас достаточно всех трех компонентов нашего огненного треугольника. В двигателе это означает, что если мы впрыскиваем больше топлива, мы также должны быть уверены, что получаем больше воздуха (и, следовательно, больше кислорода), чтобы сжечь все топливо, поскольку лишнее топливо не сгорит, если в нем не будет больше кислорода. что соединить и сжечь.

В химии есть термин, обозначающий идеальное количество реагентов в уравнении, чтобы сбалансировать его без остатка: стехиометрия. В бензиновом двигателе стехиометрическое соотношение кислородсодержащего воздуха и топлива составляет 14,7 частей (по массе) воздуха на 1 часть бензина.

Ввести принудительную индукцию

«Нет замены рабочему объему» — это фраза из дней большого блока V8, когда большая мощность означала физически более крупные двигатели, потреблявшие больше воздуха и топлива. Цилиндры большего размера могли всасывать не только больше топлива, но и больше воздуха для полного сгорания топлива, и это давало вам больше мощности.

К сожалению, больший размер также означает больший вес, поэтому некоторые инженеры вместо этого пришли к идее подавать больше воздуха в двигатель, накачивая его: вместо того, чтобы увеличивать физически двигатель до , всасывать больше воздуха, толкать больше воздуха в двигателе того же размера. Сжатый воздух, нагнетаемый в двигатель, называется наддувом, при этом повышение давления по сравнению с давлением окружающего воздуха измеряется в фунтах на квадратный дюйм или в барах/килопаскалях.

Эти первые воздушные насосы с принудительной индукцией назывались нагнетателями, а их лопастные колеса компрессора приводились в движение самим двигателем через ремни или шестерни, приводимые в движение коленчатым валом двигателя. Стехиометрия означает, что каждая небольшая доза топлива требует в 14,7 раз больше воздуха, поэтому неудивительно, что нагнетатели используют огромное количество энергии (иногда до 20% от общей мощности двигателя!), чтобы перекачивать весь этот воздух.

Больше энергии с меньшими потерями — турбокомпрессор

Размер и вес — это плохие вещи в автомобилях и хуже вещей в самолетах, которые раньше активно развивались с принудительной индукцией. Мало того, что тяжелый двигатель делает самолет тяжелым, физически большой двигатель также создает громоздкий неаэродинамический фюзеляж. В самолетах был добавлен стимул повышать давление входящего воздуха, чтобы компенсировать разрежение воздуха на больших высотах, чтобы мощность двигателя не падала на большой высоте.

При такой высокой мощности и весе в самолетах швейцарский авиационный инженер Альфред Бюхи придумал, как избавиться от потери мощности нагнетателя на 20 %: вместо того, чтобы использовать мощность двигателя через ремень/шестерни для вращения компрессора, подключите компрессор колесо к соответствующему колесу турбины в выхлопной системе, улавливая энергию из потока выхлопных газов, который в противном случае тратится впустую, подобно тому, как ветряная мельница улавливает энергию от бриза.

Эти ранние «турбинные нагнетатели» или «турбо-нагнетатели» в конечном итоге стали использоваться во многих гоночных самолетах, бомбардировщиках и истребителях 19-го века.30-х и 1940-х годов, и в то время считались передовой аэрокосмической технологией, детали которой вращались со скоростью сотен тысяч об/мин, а турбинные колеса подвергались воздействию температур выхлопных газов до 1800°F/1000°C. Таким образом, внедрение такого дорогого оборудования в автомобили сначала было медленным и экспериментальным, поскольку с 1950-х годов появилось несколько моделей, таких как Chevrolet Corvair, с дополнительным турбодвигателем.

Разработка турбокомпрессора шла рука об руку с разработкой газовой турбины (реактивного двигателя) на протяжении 1950-х и 1960-х годов. В дополнение к лучшим материалам, способным выдерживать высокие температуры и давление на горячей стороне турбонагнетателя, общая компоновка турбонагнетателя в конечном итоге была стандартизирована:

• Корпус холодной стороны, который направляет впускной воздух к турбокомпрессору
  • Колесо компрессора, который создает давление в воздухе
  • Байпас компрессора, который открывается, когда вы отпускаете газ, чтобы воздух наддува не скапливался за закрытой дроссельной заслонкой и не вызывал остановку компрессора
• CHRA (вращающийся узел центрального корпуса, также иногда называемый «картриджем»)
  • Вал, на котором закреплены колеса компрессора и турбины
  • Подшипники вала, обеспечивающие свободное вращение вала
  • Смазка и охлаждение
• Корпус горячей стороны, который направляет воздух из выпускного коллектора в турбину
  • Турбинное колесо, которое улавливает энергию выхлопных газов крутиться быстрее

Энергетический кризис 1970-х действительно подтолкнул автопроизводителей к тому, чтобы начать серьезно рассматривать турбокомпрессоры как способ уменьшить размеры двигателей (и улучшить выбросы и экономию топлива) без ущерба для мощности.

Мощность и управление

1970-е и 1980-е годы также совпали с компьютерной революцией, и эти передовые технологии управления подачей топлива и двигателем доказали свою эффективность и долговечность. От первых аналоговых датчиков температуры и расхода в 1970-х годов до нескольких объединенных в сеть блоков управления в 2000-х годах и позже, системы были усовершенствованы, чтобы не отставать от потребности выжимать как можно больше энергии из капли топлива:

• Система лямбда-зонда (датчик кислорода), разработанная Volvo. первый автопроизводитель, использовавший эту комбинацию датчиков для измерения расхода топлива:
  • Датчики массового расхода воздуха для измерения количества воздуха, поступающего в двигатель воздух
  • Датчики кислорода (лямбда), измеряющие остаточное топливо или кислород в выхлопных газах, чтобы определить, насколько близко к стехиометрическому соотношению 14,7:1 работает двигатель
• Датчики детонации для измерения состояния и времени сгорания прямое зажигание, для регулировки угла опережения зажигания для предотвращения детонации
• Цифровые блоки управления двигателем (ECU) для постоянного измерения всех этих входных сигналов и регулировки выходных сигналов
• Схемы управления двигателем запроса крутящего момента, до
  • A: выяснить, сколько именно мощности требуется водителю (путем нажатия правой ноги на педаль газа). целевая мощность водителя

Точный контроль нагрузки и температуры двигателя, более жесткие допуски на обработку и балансировку, а также более совершенные сплавы — все это сыграло свою роль в повышении надежности и производительности турбокомпрессора. Как 80-е и 90s прогрессировали, турбонаддув стал более популярным, с предсказуемой выходной мощностью и турбонаддувом, время между капитальными ремонтами теперь достигает 100 000 миль и более.

Конструкция турбокомпрессора также претерпела изменения: сначала с помощью управляемых компьютером вакуумных соленоидов, открывающих и закрывающих перепускную заслонку для управления общим наддувом, а также с фундаментальными изменениями в самой турбине, такими как двойная спираль и корпуса турбины с изменяемой геометрией, повышающие эффективность турбонаддува за счет извлечения большого количества энергии. возможно из выхлопного потока.

По мере того, как мы продолжаем двигаться в 21 век, турбокомпрессоры играют ключевую роль в обеспечении максимальной эффективности двигателей внутреннего сгорания до того, как электромобили будут готовы занять место среди обычных автомобилей. Турбина была с нами почти столько же, сколько и сама машина, но над ней еще есть над чем работать.

Для получения более подробной информации о компонентах турбокомпрессора и обслуживании системы см. нашу статью о распространенных проблемах с турбонаддувом.

Сколько наддува слишком много?

1. Главная
2. Наши блоги
3. Технические статьи
4. Turbo tech: Сколько наддува слишком много?

Фильтры

Автор: Джулиус Блум Дата публикации: 11 июня 2018 г.

Наддув — это положительное давление, создаваемое турбонаддувом или нагнетателем. Он нагнетает больше воздуха в двигатель. Это можно сочетать с большим количеством топлива, чтобы создать больший удар внутри цилиндров, что приведет к увеличению мощности.

Очень похоже на вопрос «Как далеко я могу разогнать заводской двигатель?». Это не совсем прямой ответ. Есть много переменных для рассмотрения.

Прежде чем мы начнем, скажите, что такое ускорение и зачем мне его запускать?

Наддув — это положительное давление, создаваемое турбонаддувом или нагнетателем. Он нагнетает больше воздуха в двигатель. Это можно сочетать с большим количеством топлива, чтобы создать больший удар внутри цилиндров, что приведет к увеличению мощности. Увеличение наддува (в разумных пределах) нагнетает в двигатель больше воздуха, поэтому можно добавить больше топлива для увеличения мощности. В целом, если вы добавите больше наддува и настроите двигатель, вы получите больше мощности. Слишком большой наддув может привести к поломке турбонаддува или двигателя.

Начнем с турбо

Не секрет, что не все турбины одинаковы. Некоторые из них большие, некоторые маленькие, некоторые предназначены для реагирования, некоторые экономичны, а некоторые — для откровенной мощи. Основными областями, которые мы рассмотрим, являются размер, эффективность, тип и состояние.

Размер
• . Как правило, большой размер турбонаддува создает больший поток воздуха при более низком уровне наддува, но с большей задержкой. Верно и обратное: меньший турбонаддув должен работать с более высоким уровнем наддува для достижения заданного воздушного потока, но будет иметь меньшую турбо-задержку.
• Эффективность. Турбина предназначена для работы в пределах диапазона эффективности, связанного с расходом воздуха и давлением наддува. Именно здесь турбонагнетатель будет лучше всего производить объем воздуха, не превышая скорость и не выделяя чрезмерного тепла. Эффективность и размер необходимо рассматривать как часть всего пакета при планировании установки двигателя.
Тип
• — разные типы турбин предназначены для разных применений с разными характеристиками и ограничивающими факторами. Мы рекомендуем изучить ограничения вашего турбо. Например; ряд ранних японских автомобилей был оснащен керамическими турбинными колесами и валами. Как правило, они хрупкие и способны выдерживать лишь умеренное давление наддува, оставаясь цельными.
Состояние
• . Турбина в хорошем рабочем состоянии имеет решающее значение для создания надежного наддува. Эксплуатация турбонаддува в пределах его рабочего диапазона, поддержание хорошего давления масла, адекватное охлаждение и эффективная настройка продлят срок службы турбокомпрессора. Несмотря на то, что нам нравится внешний вид открытого турбовпуска, фильтр — это тоже отличная идея!

Garrett GTX3582R рядом со стоковым STI turbo[/caption]

А сам двигатель?

Хотя большее давление наддува обычно означает большую мощность, это означает большее давление в цилиндре и большую нагрузку на двигатель. Чтобы турбонаддув работал на определенном уровне наддува, двигатель должен с этим справиться.

• Состояние — как указано в нашей статье о двигателе, состояние двигателя и его вспомогательных компонентов так же важно для работы с уровнем мощности, как и сам турбонаддув.
• Сила — двигатель должен быть в состоянии поддерживать крутящий момент/мощность уровня наддува. Мы рекомендуем обсудить это с опытным настройщиком.
• Эффективность. Как и турбодвигатель, двигатель будет эффективен в определенном рабочем диапазоне. Это будет продиктовано доработками внутренних органов или их отсутствием. Если у вас сильно ограниченный двигатель, это ограничит форсирование, которое вы можете запустить, или означает, что увеличение уровня форсирования не окажет положительного влияния на мощность. Это дает вам больше стресса без каких-либо плюсов. Противоположным было бы иметь двигатель, модифицированный для повышения эффективности и потока с небольшим турбонаддувом. Потенциально он будет вырабатывать наибольшую мощность, которую вы можете получить от этого турбонагнетателя, однако двигатель будет вытеснять турбонагнетатель. В идеале двигатель и турбонаддув должны соответствовать требованиям автомобиля.

И основные вспомогательные компоненты турбо/турбо?

Есть и другие компоненты, которые следует учитывать при увеличении наддува. Если требуется значительное увеличение наддува или мощности, потребуется множество модификаций.

• Топливная система. Топливная система должна поддерживать уровень мощности, который будет производиться при увеличении наддува. Это может включать топливный насос и топливные форсунки, а также регулятор давления топлива и топливопроводы, необходимые для перехода на следующий уровень.
Датчик абсолютного давления
• . Блок управления двигателем (заводской или послепродажный), скорее всего, должен быть оснащен датчиком абсолютного давления в коллекторе (MAP), который будет показывать как минимум несколько фунтов на квадратный дюйм выше, чем вы предполагаете при работе. Датчик должен показывать показания выше желаемого уровня наддува, чтобы ЭБУ можно было запрограммировать на ограничение наддува для предотвращения чрезмерного наддува или любых опасных пиков наддува.
• Интеркулер и трубопровод — При увеличении наддува наддувочный (сжатый) воздух, выходящий из турбонагнетателя, будет увеличиваться в объеме и температуре. Это означает, что промежуточный охладитель должен рассеивать это дополнительное тепло, иначе он может ограничить уровень мощности. Трубопровод также должен быть хорошо герметизирован, чтобы весь сжатый воздух, выходящий из турбины, фактически попадал в двигатель. Негерметичность патрубков интеркулера встречается очень и очень часто.
• Выхлоп — В большинстве случаев заводские выхлопы являются существенным ограничением в турбосистеме. Современные автомобили также оснащены каталитическим нейтрализатором, который действует как фильтр в потоке выхлопных газов, еще больше ограничивая поток. Установка выхлопа с высоким расходом (с катализатором с высоким расходом, если применимо) естественным образом немного увеличит уровень наддува и позволит при желании увеличить наддув еще больше.
• Wastegate — это часть турбосистемы, которая пневматически регулирует уровень наддува. Установка вестгейта обычно состоит из привода, клапана, пружины и соленоида. Все они должны быть настроены в соответствии с желаемым уровнем усиления. Это зависит от настройки, поэтому свяжитесь с вашим тюнером, чтобы обсудить это.

Как PBMS настраивается на уровень повышения?

Сначала проведем исследование. Мы должны знать точные характеристики турбо и убедиться, что мы знаем, есть ли какие-либо ограничивающие (или несоответствующие) уровни наддува для турбо. После настройки на диностенде мы следуем простой процедуре:

1. Базовый запуск при давлении перепускной заслонки с проверкой уровня наддува.
2. Увеличьте уровень наддува на 2–3 фунта на кв. дюйм, снова проверив уровень наддува и обеспечив требуемый контроль.
3. Продолжайте увеличивать уровень наддува небольшими шагами и следите за уровнем наддува и увеличением мощности. Как только уровень усиления достигает желаемого уровня, мы останавливаемся, однако, если мы не знаем желаемого уровня, мы переходим к следующему шагу.
4. Внимательно следите за уровнем мощности по сравнению с повышением. Как правило, мы видим усиление, обеспечивающее уменьшение увеличения мощности, до тех пор, пока точечный дополнительный импульс не дает или дает очень мало дополнительной мощности. Это указывает на то, что мы, вероятно, находимся за пределами эффективности двигателя и турбоустановки. Отсюда мы можем принять обоснованное решение о том, какой уровень усиления использовать.

Несколько реальных рекомендаций!

Большинство случаев немного отличаются, однако мы можем дать некоторые общие рекомендации, основанные на опыте. Следующие уровни наддува являются максимальными, на которые мы обычно настраиваем для хорошей мощности, сохраняя при этом разумную надежность. Обратите внимание, что двигатель должен быть настроен для безопасной и оптимальной работы повышенного уровня наддува.

• Стандартный турбонаддув STI (версия 3+) — 21–23 фунта на кв. дюйм (1,5 бар)
• Стандартный турбомотор Evo (Evo V+) — 23–25 фунтов на кв. дюйм (1,725 ​​бар)
• R32 и R33 GTS-T (стандартный керамический турбонаддув) — 12 фунтов на кв. дюйм (0,83 бар)
• R32 и R33 GTR (стандартный керамический турбонаддув) — 14 фунтов на кв. дюйм (0,95 бар)
• Стандартный турбонаддув WRX (TD04 до ’07) — 15 фунтов на кв.