Виды наддува двигателей. Виды наддува двигателей внутреннего сгорания Современные способы наддува в двс

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 , но долгое время их на автотранспорте не использовали. Зато наддувы достаточно широко использовались в авиации и на кораблях.

Виды по способу создания давления

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

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

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

Roots
Lysholm (механический нагнетатель)
Центробежный (турбина)

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

Roots

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

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

Устройство и работа нагнетателя Roots

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

Lysholm

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

Нагнетатель типа Lysholm, другое название - винтовой.

Основным недостатком этого наддува является высокая стоимость изготовления.

Центробежный тип

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

Центробежный нагнетатель с газотурбинным приводом

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

Типы привода, их достоинства и недостатки

Вторая проблема – привод нагнетателя, а он может быть:

Механическим
Газотурбинным
Электрическим

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Электронагнетатель от фирмы Valeo

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

Иные проблемы

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

К ним относится:

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

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

Варианты исполнения систем наддува

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

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

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

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

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

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

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

Клапан blow-off

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

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

Autoleek

Со времени, когда очевидной стала необходимость применения наддува двигателей, появилось множество вариантов наддува. Основными видами наддува являются следующие:

Рисунок 1- Виды наддува

Системы наддува можно квалифицировать по:

1) способу подачи воздуха без нагнетателя за счет инерции столба самого воздуха или газа;

2) конструкции нагнетателя;

3) виду привода нагнетателя;

4) типу связи между наддувочным агрегатом и двигателем.

Инерционный наддув (без нагнетателя, называемый еще «резонансным», «волновым», «акустическим») осуществляется за счет колебания давления во впускном трубопроводе поршневого двигателя. Волна понижения давления во впускном трубопроводе у входа в цилиндр во время такта впуска со скоростью звука перемещается до противоположного открытого конца трубопровода, отражается от него и в виде волны давления движется опять же со скоростью звука ко впускному клапану. Выбирая длину трубопровода таким образом, чтобы волна давления подходила к заключительному периоду впуска, можно обеспечить подачу заряда в цилиндр под избыточным давлением, осуществляя тем самым наддув двигателя (Рисунок 2).

Рисунок 2- Схема впускного тракта 1- корпус воздухоочистителя или специальный резонатор

Необходимую для этого длину трубопровода l можно рассчитать по времени ф прохождения волны от клапана к открытому концу трубопровода и обратно.

Энергия для «разгона» столба воздуха во впускном трубопроводе берется за счет дополнительной работы поршня, т.е. за счет повышения насосных и механических потерь двигателя.

Инерционный наддув как самостоятельная система наддува применяется в двигателях легковых автомобилей. Длина впускного трубопровода может изменяться в зависимости от скоростного режима двигателя, обеспечивая тем самым высокое наполнение цилиндров двигателя в широком диапазоне режимов.

В сочетании с газотурбинным наддувом инерционный наддув применялся в дизелях грузовых автомобилей -- система комбинированного наддува Шера (Рисунок 3).

Уровень повышения давления наддува при инерционном наддуве сравнительно невелик, поэтому такие системы обычно используются не для повышения максимальной мощности двигателя, а для улучшения протекания характеристики крутящего момента.

Рисунок 3- Система комбинированного наддува, предложенная Г. Шером

Другой известный способ подачи воздуха в цилиндры двигателя под повышенным давлением -- это использование волн давления выпускных газов в газодинамической машине «Компрекс» (наименование «Comprex» происходит от английских слов compression - сжатие и expanding - расширение) (Рисунок 4).

Принцип действия этой системы основан на том, что волна давления, проходящая через канал трубопровода, отражается на свободном конце отрицательно, т.е. как волна разрежения, а на закрытом конце как волна давления, и, наоборот, всасывающая волна на открытом конце отражается как волна давления, а на закрытом конце -- как волна всасывающая.

Система «Компрекс» состоит из ротора с осевыми каналами -- ячейками трапецеидального сечения, открытыми с торцов. Ротор, укрепленный в подшипниках и окруженный кожухом, приводится во вращение через ременную передачу от коленчатого вала двигателя. Мощность, необходимая для вращения ротора, невелика, т.к. она расходуется только на преодоление трения в подшипниках и вентиляционных потерь.

Рисунок 4- Схема устройства системы наддува «Компрекс» 1 -- выпускной трубопровод; 2 -- впускной трубопровод; ВНД -- воздух низкого давления; ВВД -- воздух высокого давления; ГВД -- газ высокого давления; ГНД -- газ низкого давления; Р -- ротор.

Воздушные и газовые каналы сходятся на торцевых сторонах корпуса. Осевые каналы -- ячейки ротора -- совпадают поочередно то с торцевыми стенками корпуса нагнетателя, то с впускными или выпускными трубопроводами, ведущими либо к двигателю, либо к атмосфере через воздухоочиститель или глушитель.

Привод агрегатов наддува может осуществляться:

1) от коленчатого вала ДВС прямо или через отключаемое устройство («приводные нагнетатели»);
2) от постороннего источника энергии, например, так называемый «е-привод» - от электродвигателя («электроподдерживаемый наддув»);

3) от турбины, использующей энергию отработавших газов ДВС (турбокомпрессоры).

В качестве приводных нагнетателей используют либо объемные нагнетатели (поршневые, роторно-шестеренчатые (типа «Рутс»), роторновинтовые, роторно-пластинчатые (шиберные)), либо лопаточные (как правило, центробежные). В приводном нагнетателе типа «Рутс» (Рисунок 5) два ротора особой формы, оси которых связаны между собой, при помощи шестерен соединенные с ведущей шестеренкой нагнетателя, которая, в свою очередь, связана со шкивом, приводимым в движение коленчатым валом посредством ременчатой передачи. Вращающиеся в противоположных направлениях роторы буквально «всасывают» воздух через входное отверстие, проталкивая воздушные потоки в т. н. распределительный отсек.

Рисунок 5- Приводной нагнетатель типа «Рутс»

Другой представитель механических нагнетателей - винтовой (нагнетатель Линхольма) по своей форме и структуре очень похож на нагнетатель Рутса (Рисунок 6), но на поверку отличается от него кардинально.

Рисунок 6- Приводной нагнетатель Линхольма

Формы роторов винтового нагнетателя более заострены, а сами они напоминают саморезы или винты мясорубки. При вращении роторов воздух, попадающий внутрь нагнетателя, прогоняется через этот конвейер спиралей и к выходу из корпуса уже находится в сжатом состоянии. Кроме того, воздух сжимается уже внутри устройства, а это значит, что неоткуда будет взяться тем силам противодействия, что выталкивают воздух назад в нагнетателе типа «Рутс».

Приводные центробежные нагнетатели (Рисунок 7) выполнены в форме улитки и обладают примерно теми же свойствами, что и турбины.

Рисунок 7- Приводной центробежный нагнетатель

Воздух, попадая в корпус нагнетателя, подхватывается лопастями рабочего колеса и, раскручиваясь, центробежными силами прижимается к внешним стенкам корпуса. На этом этапе воздушный поток достигает огромной скорости, но пока его давление слишком мало. Затем при помощи диффузора достигается обратный эффект: при выходе из нагнетателя скорость воздушного потока уменьшается, а давление, наоборот, возрастает, за счет «поджимающего» сзади воздуха. Эффективность центробежных нагнетателей пропорциональна оборотам двигателя. На низких оборотах прирост мощности практически не ощущается (хотя он и больше, чем у той же турбины), зато на средних и высоких мощность взмывает вверх.

Двигатели с газотурбинным наддувом часто называют «турбопоршневыми двигателями» или «комбинированными двигателями».

У турбокомпрессора (Рисунок 8) колесо компрессора и колесо турбины сидят на одном валу. Энергия потока отработавших газов, которая в обычных двигателях не используется, преобразовывается здесь в крутящий момент - выходящие из цилиндров двигателя отработавшие газы подаются на колесо турбины, где их кинетическая энергия преобразуется в механическую энергию вращения (крутящий момент). Колесо компрессора засасывает свежий воздух через воздушный фильтр, сжимает его и подает в цилиндры двигателя. Количество топлива, которое можно смешать с воздухом, при этом можно увеличить, что позволяет двигателю развивать большую мощность. Существует также множество других конструкций турбокомпрессоров.

Рисунок 8- Турбокомпрессор

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.

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.

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 , 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:

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;
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;
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;
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:

турбина представлена в виде стационарного устройства и соответственно есть необходимость в привязке к силовому агрегату транспортного средства;
на невысоких оборотах мотора, такой компрессор не способен обеспечит большую скорость, а лишь на высоких его работа эффективна;
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

Мощность двигателя может быть также увеличена за счет наддува. Для наддува применяют специальные компрессоры с приводом от коленчатого вала затрачивается часть мощности или газотурбинные в которых воздух или горючая смесь сжимается до поступления в цилиндры. Системы наддува Наиболее характерными схемами наддува являются: механический наддув; турбокомпрессорный наддув газовая турбина центробежный компрессор; комбинированный наддув механический газотурбинный; компрессор расположен до карбюратора нужна герметизация;...

Поделитесь работой в социальных сетях

Если эта работа Вам не подошла внизу страницы есть список похожих работ. Так же Вы можете воспользоваться кнопкой поиск

ЛЕКЦИЯ 15

СИСТЕМА НАДДУВА

1 Общие сведения о наддуве двигателей

Основными тенденциями в совершенствовании ДВС является повышение мощности при снижении расхода горючего и токсических компонентов отработавших газов. Анализ развития средств назнемного транспорта показывает, что поршневые двигатели еще долгое время будут сохранять лидирующие позициии. Конструкцию двигателя принято оценивать по литровой мощности

В основном увеличение мощности связано с увеличением числа оборотов коленчатого вала двигателя. Увеличение числа оборотов эффективно в том случае, если коэффициент наполнения имеет большую величину. С этой целью следует уменьшать потери во впускной и выпускной системах, использовать в них инерционные явления и совершенствовать системы газораспределения. Для повышения эффективной мощности с ростом числа оборотов необходимо снижать механические потери (применение соответствующих материалов, масел, стабильность температурного режима, очистка масла от механических примесей и его охлаждение, точность изготовления деталей и качество механической обработки поверхности).

Мощность двигателя может быть также увеличена за счет наддува. Для наддува применяют специальные компрессоры с приводом от коленчатого вала (затрачивается часть мощности) или газотурбинные, в которых воздух или горючая смесь сжимается до поступления в цилиндры. Сжатие заряда происходит быстрее чем повышение температуры заряда, поэтому плотность заряда после сжатия больше плотности заряда до компрессора. Массовое количество заряда, поступающего за цикл в цилиндр двигателя будет больше, чем при впуске из атмосферы.

2 Системы наддува

Наиболее характерными схемами наддува являются:

механический наддув;
турбокомпрессорный наддув (газовая турбина + центробежный компрессор);
комбинированный наддув (механический + газотурбинный);
компрессор расположен до карбюратора (нужна герметизация);
компрессор расположен после карбюратора (улучшается смесеобразование, ухудшаются условия работы лопаток компрессора из-за топлива);
импульсная система наддува;
неимпульсная система наддува.

Наибольшее применение для наддува получили лопаточно-центробежные компрессоры. Основными параметрами компрессора являются степень повышения давления, производительность компрессора и адиабатический КПД. Работа, затрачиваемая на сжатие 1 кг воздуха в компрессоре от давления Ро до Рк (адиабатическое сжатие) определяется:

В действительности процесс сжатия происходит при наличиии теплообмена с окружающей средой и внутренних потерь, что увеличивает затрачиваемую работу. Это учитывается адиабатическим КПД (0,65 ─ при степени повышения давления равной 1,3. При увеличении степени, КПД снижается до 0,5). Для достижения больших давлений наддува применяют роторно-шестеренчатые компрессоры.

В быстроходных двигателях применяют высокооборотные центробежные или осевые компрессоры (). При снижении КПД и повышении степени наддува значительно увеличивается работа, затрачиваемая на сжатие заряда в компрессоре и температура, эффективность наддува при этом снижается. При повышении степени наддува сверх определенного значения эффективная мощность не возрастает из-за уменьшения механического КПД двигателя вследствии роста мощности, затрачиваемой на привод компрессора.

Наддув несколько изменяет характер процесса сгорания вследствии повышения давления и температуры конца сжатия. При наддуве увеличивается количество топлива, участвующего в сгорании, следовательно возрастают максимальные зна чения давления, температуры конца сгорания, возрастает тапловая напряженность деталей. В момент перекрытия клапанов при наддуве происходит более лучшее охлаждение клапанов. Указанные обстоятельства следует учитывать при применении наддува.

В карбюраторных двигателях применение наддува ограничивается условиями возникновения детонационного сгорания и чаще всего применяется при эксплуатации автомобилей в горных условиях. Если применяется наддув в карбюраторном двигателе требуется коррекция показателя степени сжатия. Применение сравнительно высоких давлений наддува (больше 0,2 Мпа ) требует изменения фаз газораспределения, применения холодильника для снижения температуры заряда после сжатия. Использование наддува наиболее эффективно в дизелях, где увеличение давления наддува лимитируется только термической и механической прочностью конструкции двигателя. Мощность дыигателя при этом повышается на 20-30% и среднее эфффективное давление возрастает до 0,9-0,95 Мпа.

3 Газотурбинный наддув

При ГТН для сжатия воздуха и его нагнетания используется часть энергии отработавших газов. Это позволяет частично утилизировать перепад между давлением в конце процесса расширения в цилиндре двигателя и атмосферным давлением воздуха. Мощность двигателй при ГТН может возрастать до 50%, снижается токсичность отработавших газов. Конструкция двигателя включает применение соответствующих материалов, что удорожает изготовление двигателя, но стоимость двигателя, отнесенная к единице мощности меньше, чем без наддува. Воздух поступает в компрессор через входное устройство в центре корпуса. Рабочее колесо и направляющий аппарат обеспечивают возрастание потенциальной и кинетической энергии, далее воздух поступает в диффузор и воздухосборник, откуда распределяется по цилиндрам при открытии клапана. Абсолютная скорость движения воздуха в колесе достигает 300-350 м/с.

Турбокомпрессор состоит из одноступенчатого центробежного компрессора и радиальной центростремительной турбины. Основными узлами турбокомпрессора являются: компрессорная ступень, турбинная ступень и узел подшипникков с уплотнениями. Колеса компрессора и турбины расположены на противоположных концах вала ротора консольно относительно подшипников. Рабочее колесо компрессора отливается из сплава типа АЛ4 в гипсовые формы, полученные по эластичным моделям. Колесо одевается на вал с натягом, поэтому при установке на вал оно нагревается до 1100-1300 гр.С. Рабочее колесо турбины полуоткрытого типа с радиальными лопатками изготавливается методом литья по выплавляемым моделям из жаропрочного никелевого сплава типа ИНКО-713С, АНВ-300 и им подобным. Оно соединяется с валом сваркой трением.Корпус изготавливается из жаропрочного чугуна. В турбокомпрессоре применен “плавающий” подшипник скольжения с невращающейся моновтулкой. От осевых перемещений ротор удерживается с двух сторон втулками кольцедержателями, напресованными на вал ротора турбокомпрессора. Смазака подшипника осуществляется от система смазки двигателя, под давлением, в корпус подшипников.Для устойчивой работы двигателя на всех оборотах, уменьшения эффекта "турбоямы", применена система регулирования давления, с помощью регулятора, путем перепуска газа мимо турбины.

Отработавшие газы поступают на лопатки соплового аппарата в корпусе. При прохождении газа через сопловый аппарат скорость его увеличивается. С этой скоростью газ поступает в лопаточные каналы рабочего колеса турбины. Тангенциальное действие струи газов на лопатки вызывает появление крутящего момента. На выходе из турбины устанавливают вращающийся выходной спрямляющий аппарат. Окружная скорость рабочих колес турбокомпрессора определяется напором, развиваемым турбокомпрессором. V= 280-350 м/с. При средней температуре около 700 градусов Цельсия и более колеса турбин изготавливают из сплавов на никелевой основе. Для обеспечения высокой приемистости турбокомпрессора стараются снизить наружний диаметр и момент инерции рабочего колеса. По окружной скорости и диаметру рабочего колеса вычисляют частоту вращение ротора, которая может достигать 50000-80000 об/мин.

4 Характеристики автомобильных двигателей с наддувом

Расчетные характеристики турбокомпрессора должны обеспечивать характер нарастания крутящего момента аналогично двигателю без наддува. В этом случае наибольшая подача воздуха должна происходить на таком скоростном режиме, при котором крутящий момент максимальный. При увеличении цикловой подачи снижается коэффициент избытка воздуха, но его снижение должно быть таким, чтобы не происходило увеличение дымности отработавших газов. Отдельные конструкции турбокомпрессора имеют регулируемые сопловые каналы, которые при снижении числа оборотов коленчатого вала с помоью специального устройства поворачивают лопатки соплового аппарата в сторону уменьшения проходного сечения. В результате этого давление газа на входе повышается и скорость истечения увеличивается, что повышает частоту вращения вала ТК и давление свежего заряда. Удельный расход топлива практически остается одинаковым при повышении мощности двигателя.

В трубопроводах быстроходных автомобильных двигателей в процессе впуска и выпуска возникают колебания газового потока. Это явление во впускных и выпускных трубопроводах можно использовать для динамического наддува. Если настроить выпускную систему так, чтобы к концу процесса выпуска в момент перекрытия клапанов вблизи выпускного клапана образовывалось разряжение, то количество остаточных газов уменьшится, улучшится наполнение цилиндра. При аналогичной организации процесса впуска в конце впуска давление свежего заряда увеличивается, что вызывает улучшение наполнения цилиндра. Настройка динамической системы выпуска отработавших газов производится путем изменения длины выпускного трубопровода для каждой группы цилиндров. Правильно настроенная система выпуска и впуска обеспечивает увеличение эффективной мощности двигателя до 10%.

Другие похожие работы, которые могут вас заинтересовать.вшм>
4138.		Система альтернативного голосування. Система кумулятивного голосування. Система балів	4.28 KB
	Система альтернативного голосування. Система кумулятивного голосування. Система балів Способом яким долається нерезультативність системи абсолютної більшості вже у першому турі виборів є альтернативне голосування преференційне або абсолютне голосування за якого виборці голосують за одного кандидата але вказують при цьому порядок своїх переваг для інших. Така система запроваджена у Австралії при виборах Палати представників нижньої палати австралійського парламенту.
9740.		Партийно политическая система Японии и избирательное право и система	47.98 KB
	Основные права человека гарантируются Конституцией Японии. Они определяются как вечные и незыблемые. К этим правам относятся право на равенство, свободу, социальные права, право на защиту основных прав человека. Конституция позволяет ограничивать права человека, если они нарушают общественное совместное благосостояние или права других людей.
2668.		Энергетическая система (энергосистема). Электроэнергетическая (электрическая) система	44.5 KB
	Естественные природные источники из которых энергия черпается для приготовления ее в нужных видах для различных технологических процессов называются энергетическими ресурсами. Различают следующие виды основных энергетических ресурсов: а химическая энергия топлива; б атомная энергия; в водная энергия то есть гидравлическая; г энергия излучения солнца; д энергия ветра. е энергия приливов и отливов; ж геотермальная энергия. Первичный источник энергии или энергоресурс уголь газ нефть урановый концентрат гидроэнергия солнечная...
5899.		Система права и система законодательства	22.78 KB
	Система права и система законодательства Понятие системы права Система права суть внутреннее строение структура права отражающее объединение и дифференциацию юридических норм. Основная цель этого понятия объяснить одновременно интегрирование и деление нормативного массива на отрасли и институты дать системную характеристику позитивного права в целом. Особо здесь нужно подчеркнуть то что структура права его система обусловливает его форму систему законодательства и неразрывно с ней связана. те права и обязанности которые стали...
4136.		Мажоритарна виборча система абсолютної більшості. Мажоритарна виборча система відносної більшості	3.91 KB
	Розглянемо наступний вид уніномінальних мажоритарних систем систему абсолютної більшості яка на відміну від попередньої системи для обрання кандидата вимагає зібрати більше половини голосів виборців тобто діє формула 50 плюс один голос. Таким чином за системи абсолютної більшості вибори найчастіше всього здійснюються у два тури. При застосуванні цієї системи як правило є обовязковий нижній поріг участі виборців у голосуванні. Головним недоліком мажоритарної системи абсолютної більшості є певна нерезультативність виборів.
17398.		Система Сатурна	1.58 MB
	Если принять во внимание, что кольца состоят из глыб льда, то может ли это помешать пролёту космического корабля через них? Думаю, что да, так как может повредиться обшивка корабля, или корабль может отклониться от курса. Следовательно, траектория должна быть рассчитана так, чтобы миновать кольца.
5780.		Правовая система	14.89 KB
	Право как система характеризуется следующими признаками: Вопервых система права характеризуется объективностью. Вовторых для системы права характерны единство и взаимосвязь норм ее составляющих. Любой структурный элемент извлеченный из системы права лишается системных функций а следовательно и социальной значимости. Втретьих система права как целостное образование охватывает все нормы действующие в той или иной стране и представляет собой сложный многоуровневый комплекс состоящий из норм права правовых институтов и отраслей...
9300.		Система акцизов	13.4 KB
	О порядке исчисления и уплаты акцизов В законодательных актах Российской Федерации: взимание акцизов с подакцизных товаров ввозимых на территорию Российской Федерации порядок уплаты акцизов на нефть включая газовый конденсат на отдельные виды минерального сырья закон О недрах.
2238.		КРОВЕНОСНАЯ СИСТЕМА	16.95 KB
	Артерии сосуды по которым кровь движется от сердца. В зависимости от соотношения тканевых элементов в стенке артерий выделяют артерии 3х типов: эластического типа аорта легочной ствол в средней оболочке преобладают эластические волокна в них кровь поступает под большим давлением и с большой скоростью могут сильно растягиваться прочные; мышечного типа большинство артерий позвоночная плечевая лучевая артерии мозга в средней оболочке хорошо развиты миоциты закручены по типу пружины которые сокращаясь регулируют...
6888.		Структура (система) КПР	7.28 KB
	В системе конституционного права выделяют институты. самим предметом конституционного права; Источником является конституция РФ основной закон в государстве нормы которого являются исходными для всех отраслей права; Устанавливает основополагающие принципы конституционного строя являющиеся важнейшими нормами и для других отраслей права...

Для того чтобы в объеме цилиндра сжечь больше топлива и получить в результате большую полезную мощность, необходимо пропорционально увеличить количество воздуха из условия α ≈ const. Эта задача нашла свое решение в наддуве. Наддувом называется увеличение заряда воздуха, подаваемого в цилиндр, за счет повышения его плотности в результате предварительного сжатия до давления P k >P o , и соответственно увеличение количества сжигаемого топлива. Степень форсировки дизелей наддувом оценивается “степенью наддува” λ н:

λ н = Р ен / Р е, (№1)

где Р е и Р ен — среднее эффективное давление двигателя без наддува и с наддувом.

Принципиально количество воздуха в цилиндре можно увеличить не только за счет его предварительного сжатия, но и за счет понижения температуры (удельный вес воздуха пропорционален Рк и обратно пропорцилнален Тк: γк / γо = Рк То / Ро Тк), а также повышением коэффициента наполнения цилиндра η н путем лучшей очистки цилиндра. Эти факторы используются при наддуве в комплексе. Так, после предварительного сжатия воздух охлаждается до температуры 30÷45 о С, после чего подается в цилиндр. Лучшая очистка цилиндра обеспечивается тщательной отработкой системы газообмена, использованием продувки камеры сгорания в 4-тактных ДВС.

Газотурбонагнетатель судового дизельного двигателя

Применение наддува позволило увеличить цилиндровую мощность дизелей в 4÷5 раз по сравнению с двигателями без наддува, однако потребовало решения ряда серьезных технических проблем, связанных с повышением механической и , ухудшением условий смазки, повышенными износами цилиндро-поршневой группы, согласованием характеристик агрегатов наддува и дизеля и т.д. Эти проблемы постоянно встают перед дизелестроителями при дальнейшей форсировке двигателей.

Различают следующие способы наддува:

Инерционный;
Механический;
Газотурбинный и комбинированный.

Попытки использования инерционного наддува имели место в начальный период форсировки 4-тактных ДВС. При этом каждый цилиндр снабжался специально подобранной длинной впускной трубой. Повышение давления воздуха в конце впуска достигалось благодаря кинетической энергии столба воздуха во впускной трубе и соответствующей организации в ней резонансных колебаний. Инерционный наддув позволял повысить мощность на 15÷25%.

Инерционный наддув судового двигателя

При механическом наддуве нагнетатель воздуха приводится в движение от коленчатого вала двигателя. В качестве нагнетателей применяются поршневые, ротационные или центробежные компрессоры, приводимые от коленчатого вала непосредственно или через передачу (зубчатую, цепную, электрическую ).

Наиболее широкое распространение в ДВС получили газотурбинный и комбинированный способы наддува. При газотурбинном наддуве для привода нагнетателя используется энергия выпускных газов. Газовая турбина и сидящий с ней на одном валу центробежный компрессор представляют собой единый агрегат — газотурбонагнетатель (ГТН). Газы из рабочих цилиндров, отдавая часть энергии газовой турбине, направляются далее в утилизационный котел и в атмосферу. Воздух, засасываемый из атмосферы, сжимается в компрессоре до давления Рк, подается в холодильник воздуха и затем — в продувочный ресивер и в рабочие цилиндры. При незначительном сжатии в компрессоре, когда температура не поднимается выше 45÷50 о С, холодильник может отсутствовать.

Под комбинированным наддувом подразумевается система, использующая одновоременно газотурбинный и механический наддув. К ней прибегают в случаях, когда мощность газовых турбин недостаточна для привода нагнетателя. Частным случаем механического нагнетателя является использование рабочих цилиндров крейц-копфных двигателей совместно с газотурбонагнетателем.

Механический наддув судового дизельного двигателя

Оценка степени совершенства той или иной системы наддува может быть дана на основе качественного анализа механического КПД двигателя. Для двигателя без наддува можно написать зависимость;

ηмех = Ne/ Ni = (Ni — Nмex) / Ni = 1 — Nмex / Ni:

η мех = 1 — N мех / Ni

При инерционном наддуве при прочих равных условиях мощность механических потерь двигателя N мех не изменится, а возрастет без каких- либо дополнительных энергетических затрат на привод нагнетателя воздуха. Следовательно, механический КПД двигателя увеличится. Тем не менее, инерционный наддув не нашел применения в судовых дизелях из-за грамоздкости впускной системы и сравнительно невысокого уровня форсировки.

В двигателе с механическим наддувом мощность механических потерь возрастает на величину NB затрат на привод нагнетателя воздуха; механический КПД равен:

η мн мех = 1 — ((N мех +Nв) / (Ni + ΔNi)), (№2)

где Ni + ΔNi = N iн — индикаторная мощность двигателя с наддувом.

Очевидно, что всякое увеличение мощности дизеля требует повышения давления наддува Рк. При этом возрастает и мощность Nв на привод воздушного нагнетателя. Если индикаторная мощность возрастает более интенсивно, чем мощность механических потерь, то механический КПД растет. В таком случае при возрастании Рк растет и среднее эффективное давление Ре н: Ре н = Pi н η мн мех .

При достижении определенного уровня форсировки затраты на привод механического воздушного нагнетателя начинают расти более интенсивно, чем приращение индикаторной мощности; механический КПД снижается. Несмотря на увеличение Рк, среднее эффективное давление при этом может даже уменьшится (если степень снижени η мех превосходит степень приращения Pi). В предельном случае механического наддува можно создать двигатель, у которого вся индикаторная работа будет поглощаться компрессором, механический и эффективный КПД будут равны нулю.

По опытным данным, граница обоснованного увеличения Ан при чисто механическом наддуве находится в пределах:

λн = 1,2÷1,3.

При этом Рк = 1,3÷1,5 или η мн мех = 0,70÷0,85.

При дальнейшей форсировке двигателей на привод нагнетателя требуется слишком большая мощность, что снижает η мех и η е. По этой причине в современных двигателях чисто механический наддув не применяется. Его можно встретить в двигателях старой конструкции (ЗД-100, 37Д, ДР 30/50, ДР 43/61 и др.).