Наддув - «Искусственное дыхание» для двигателя

Подходит к концу «железный» XX век. Наш любимец автомобиль был свидетелем и участником событий этого столетия, совершенствовался и трансформировался вместе с представлениями человека о массовом транспортном средстве. И в преддверии магической цифры 2000 есть смысл поговорить о важнейших технических принципах и решениях, применяемых в конструкции автомобиля, вспомнить об их истории и заглянуть в будущее. Применение наддува для воздухоснабжения двигателей внутреннего сгорания - одна из таких тем. Помимо исторического аспекта, разговор о наддуве имеет и чисто практический смысл - ведь машин, снабженных подобными устройствами, становится все больше и на наших дорогах.

Устройство и принцип работы роторно-шестирёнчатого компрессора типа Roots

НАДДУВ КАК ЛЕКАРСТВО ОТ ВЯЛОСТИ

О том как работает поршневой двигатель внутреннего сгорания, знали еше в прошлом веке. Смесь воздуха и топлива после сжатия в цилиндре воспламеняется, при сгорании расширяется, толкая поршень и совершая полезную работу, и потом в виде отработавших газов вылетает в выхлопную трубу.

Как только на дорогах мира появились тарахтящие безлошадные экипажи с поршневыми моторами, началась борьба конструкторов за повышение мощности двигателей. Экстенсивный метод - сжечь в цилиндрах больше топлива, увеличивая рабочий объем, - повлек за собой появление десяти- и двенадцатилитровых многоцилиндровых монстров. А мысли о том. как интенсифицировать рабочие процессы и снять с двигателя больше лошадиных сил, привели мотористов к идее наддува.

Дело в том, что количество топлива, которое может сгореть в цилиндрах двигателя, жестко связано с объемом воздуха, засасываемого мотором внутрь при впуске. Соотношение масс - примерно 1 кг топлива на 15 кг воздуха - приходилось выдерживать очень строго, поскольку переобогащенная смесь приводила, наоборот, к падению мощности.

Как преодолеть это ограничение? Идея лежит на поверхности: подать в цилиндры больше воздуха, нагнетая его иод избыточным давлением!

Сначала появились приводные, или, иначе говоря, механические нагнетатели (superchargers) - роторного, винтового, поршневого, спирального типов, приводимые во вращение механической передачей от коленчатого вала двигателя. С подобными устройствами экспериментировал еще Готлиб Даймлер - его первые опыты с наддувом относятся к 1885 году - и, голом позже, Рудольф Дизель. Но орешек оказался крепким - и при реализации довольно простой идеи конструкторам пришлось столкнуться с массой технических трудностей.

Как это часто бывает, первыми механический наддув применили военные - на авиационных моторах, чтобы компенсировать ухудшение наполнения цилиндров при высотных полетах. И только после первой мировой войны полученный опыт позволил оснастить приводными нагнетателями бензиновые двигатели сначала гоночных, а потом спортивных и туристических автомобилей. За океаном в 20-х голах компрессорами занимались фирмы Duesenberg. Auburn и Cord, а среди «европейцев» лидировали Bentley. Lancia, Alfa Romeo, Fiat, Bugaiti и, конечно же, Daimler-Benz - спортивные «компрессорные» SS и SSK с отключаемым приводом роторного нагнетателя типа Roots стали мечтой любого коллекционера. Семилитровый шестицилиндровый мотор гоночного родстера SSKL конца 20-х годов с механическим наддувом развивал 300 л. е.! Кстати, эти машины конструировал сам Фердинанд Порше, бывший в ту пору в Штуттгарте техническим директором.

Идея наддува оказалась весьма плодотворной. Увеличиваем давление воздуха на 30% - получаем адекватный рост мощности двигателя. Прибавляем до 50% - снимаем еще больше «лошадей». И так до тех пор, пока... не развалится мотор - ведь сжатие теперь начинается не при атмосферном давлении внутри цилиндров, а при избыточном, и реальная компрессия при работающем нагнетателе будет выше. При этом растет не только мощность, но и тепловая и механическая нагрузка на детали двигателя. И, конечно, рост давления наддува бензиновых моторов сдерживает детонационная стойкость топлива - если компрессия будет слишком большой, то процесс сгорания смеси примет характер взрыва, со всеми вытекающими детонационными «прелестями»...

Компрессор Roots монтировался перед 7-литровой «шестеркой», а его корпус и коллектор были снабжены ребрами -для лучшего охлаждения

Наиболее распространенная в наши дни схема газообмена с турбонаддувом и перепускным клапаном

У механических нагнетателей есть два основных достоинства. Во-первых, это практически безынерционная реакция на изменение подачи топлива и, во-вторых, широкий диапазон оборотов двигателя, при которых такой наддув эффективен. Современные приводные компрессоры славятся тем, что работают с самых «низов», практически с холостых оборотов, поднимая крутящий момент там, где его нехватка ощущается сильнее всего.

Но есть и недостатки. Сравнительная «высокооборотность» приводных нагнетателей (до 20000 об/мин и более) порождает технологические трудности в изготовлении, а довольно большие размеры приводят к компоновочным проблемам: внутри современных моторных отсеков ведь яблоку негде упасть...

А самый главный минус такой схемы в том, что энергия для работы нагнетателя отбирается от коленчатого вала, отнимая пусть небольшую, но все же заметную, около 10%, долю крутящего момента. Конечно, это компенсируется ростом давления наддува, но все же...

ЭНЕРГИЯ ИЗ НИОТКУДА

Приводные компрессоры тех лет были очень сложными и малонадежными. Например, нагнетатель того самого легендарного MercedesBenz SSK.L должен был подключаться только на высоких оборотах (порядка 4000 об/мин) и больших скоростях и только на 20 секунд - чтобы оторваться от соперника или завершить обгон. При этом компрессор издавал душераздирающий визг: его роторы вращались вчетверо быстрее коленчатого вала, быстро сокращая ресурс двигателя и свой собственный. Недаром сэр Бентли, чьи машины были тогда основными соперниками творений Порше на гонках, нагнетатели недолюбливал, но их против его воли ставили на 4,5-литровые моторы по заказам гонщиков.

Таков характер изменения крутящего момента и удельного расхода топлива двигателя ВАЗ-2106 с турбонагнетателем НАМИ (1 - штатный двигатель, 2 - мощностный вариант настройки турбокомпрессора, 3 - экономичный вариант)

Этого недостатка лишен газотурбинный или просто турбонаддув. Его питают энергией выхлопные газы двигателя, которые обычно попросту вылетают в трубу, унося с собой и рассеивая в атмосфере чуть меньше половины всей энергии сгорания топлива.

В отличие от приводных нагнетателей, конструкции которых сильно рознятся в зависимости от типа, все турбокомпрессоры работают по одному принципу и имеют схожее устройство. К выходному фланцу выпускного коллектора мотора вместо приемной трубы крепится корпус турбины - литая «улитка», внутри которой под действием потока выхлопных газов вращается турбинное колесо. Момент передается на соосное колесо компрессора, которое вращается в своей «улитке», засасывая поступающий через фильтр воздух и подавая его под давлением в карбюратор или во впускной коллектор. При этом улучшается наполнение цилиндров и повышается мощность двигателя.

Столь же простая, сколь и гениальная, идея турбонаддува оказалась чрезвычайно сложной в реализации. Температура выхлопных газов, которую должна выдерживать турбина - 900-950 °С, а рабочие обороты турбокомпрессора исчисляются десятками и даже сотнями тысяч оборотов в минуту! Газотурбинным наддувом занимались еще в начале века - швейцарский инженер Альфред Бюхи ставил свои первые опыты до первой мировой войны. Как и приводные компрессоры, турбонаддув сначала появился на авиационных двигателях. Например, француз профессор Рато в 1919 году оснастил мотор аэроплана Breguet турбокомпрессором и промежуточным охладителем (!) - и «наддутый» аэроплан немедленно побил рекорд высоты, прорвавшись за десятикилометровый рубеж

Но основным препятствием широкому применению турбонаддува вплоть до 60-х годов оставалось отсутствие недорогой технологии высокоточного литья из жаропрочных материалов.

Первым серийным автомобилем с бензиновым двигателем, оснащенным турбонадяувом, стал печально знаменитый заднемоторный Chevrolet Corvair - тот самый, «опасный на любой скорости». Оппозитная «шестерка» воздушного охлаждения, которая в безнаддувном варианте отдавала со своих 2300 «кубиков» 95 л. е., в турбоверсии на спайдере Corvair Monza 1961 года развивала 140, а позже 180 л. е.!

Но избыточная поворачиваемость, которая поначалу была свойственна этому неординарному «американцу», погубила Corvair - после нашумевшей книги адвоката Ральфа Найдера «Unsafe at any speed» спрос на машину резко упал, и даже последующие модернизации не смогли реабилитировать Corvair в глазах консервативных янки. Тень дурной славы пала и на ни в чем не повинный турбонаддув...

Ротор турбокомпрессора: вверху - новенький, внизу - загубленный некачественной смазкой

Упорный и осевой подшипники из свинцовистой бронзы, жизнь которых безвременно оборвалась из-за разгильдяйства хозяев...

Моментные кривые трех двигателей Volkswagen: «атмосферного» 1,8-литрового, 1,5-литрового 16клапанного и 1,3-литрового с турбонаддувом (turbo) и механическим нагнетателем (kompr.)

Различия в задержке отклика на увеличение подачи топлива (обороты двигателя - 2300 об/мин, IV передача). Турбокомпрессор «думает» на секунду дольше, чем приводной нагнетатель!

Следующее появление турбокомпрессора на легковых машинах произошло только спустя десятилетие в матушке Европе - 1600 резвых BMW 2002 turbo, выпущенных фирмой с 1973 по 1974 год, особой погоды не сделали, но показали путь другим. Эру массовых турбомоторов огкрыли автомобили Porsche (911 turbo, 1974 год) и SAAB 99 turbo, 1978). Ну а после 980 гола технологические преграды рухнули, и турбоверсии появились в модельном ряду почти у всех ведущих производителей.

На дизельных моторах турбонаддув обосновался раньше, но не на легковых, а на тяжелых транспортных - судовых, танковых, грузовых... Дело в том, что адаптировать турбоагрегат под дизельный двигатель проще, чем под бензиновый: в дизелях энергия выхлопных газов на малых оборотах больше. И турбине работать проще - температура выхлопных газов дизеля не поднимается выше 650-700"С. Инициатором массового применения турбодизелей на гражданских грузовиках выступила в 1958 году фирма DAF. А на легковых автомобилях турбодизели стали появляться только в начале 80-х годов, когда между ведущими автопроизводителями уже вовсю шла ожесточенная топливными кризисами и протестами «зеленых» борьба за снижение расхода топлива и загрязнения воздуха.

ЧТО СКРЫТО в «УЛИТКАХ»

Как уже упоминалось, несмотря на простоту идеи, турбокомпрессор очень сложен в проектировании и изготовлении. А для легкового автомобиля - в особенности.

Поскольку требования компактности удорожают процесс литья деталей. Именно поэтому за изготовление турбокомпрессоров берутся только специализированные ирмы - Garrett (США), КК (Германия), Holset (Англия), IHI (Япония), - и автомобильным фирмам дешевле покупать агрегаты у них. Исключение составляют Mitsubishi и Nissan, которые осилили выпуск турбокомпрессоров самостоятельно и даже продают их «на сторону» (например, агрегатами Mitsubishi комплектовал свои двигатели SAAB).

Корпус турбокомпрессора и «улитку» турбины отливают из специального ковкого чугуна, обладающего высокой жаропрочностью, но, увы, способного дать трещину при резком перепаде температур - например, при попадании воды. Внутри корпуса в подшипниках скольжения из свинцовистой бронзы вращается ось, с одной стороны которой находится приваренное турбинное колесо из жаростойкого сплава, а к другому концу крепится крыльчатка компрессора - она, как и ее «улитка», не столь теплона гружена, что позволяет отливать эти детали из алюминиевых сплавов.

От осевых перемещений вал удерживает упорный подшипник, выполненный в виде широкой шайбы с прорезью. Все подшипники смазываются моторным маслом, которое поступает под давлением из системы смазки двигателя - к корпусу турбокомпрессора подходят подводящая и сливная масляные магистрали. Встречаются и агрегаты с водяным охлаждением, но редко

Вал с крыльчатками после сборки тщательно балансируется - малейший дисбаланс вызовет вибрацию ротора и неизбежно выведет турбокомпрессор из строя. Ведь рабочие обороты вала могут превышать 200000 об/мин!

Поначалу турбокомпрессорам были свойственны очень большие задержки «в отклике»: вы уже нажали на педаль газа, а мотор все ждет, ждет... Это - так называемое турбозапаздывание - turbolag. А еще - отказывались работать при малых и средних оборотах, когда невелико давление выхлопных газов («турбояма» - провал моментной характеристики двигателя до 2500-3500 об/мин). Например, турбокомпрессор на Chevrolet Corvair начинал работать только после того, как «оппозитник» раскручивался до 5000 об/мин - практически до максимальных оборотов. С этим боролись, уменьшая массу и момент инерции ротора. При этом возрастало давление наддува в зоне малых оборотов, но по мере их набора образовывались излишки, которые необходимо «стравливать», чтобы у мотора не случился «гипертонический криз».

Кривые, иллюстрирующие «тепловой удар» подшипников турбокомпрессора при остановке двигателя. Температура выхлопных газов -950 °С

Поэтому все турбокомпрессоры бензиновых, а позже и дизельных, двигателей стали снабжать регулятором давления наддува. Как правило, он срабатывает при определенном пороговом значении давления наддувочного воздуха в компрессоре - воздух давит на мембрану, преодолевая сопротивление тарированной пружины, и посредством механической тяги приоткрывает перепускной клапан в корпусе турбины, отводя часть выхлопных газов мимо турбинного колеса. Раньше встречались другие схемы регулирования - например, по давлению самих выхлопных газов. А теперь на современных моторах этим заведует электроника.

Конечно, при перепуске падает КПД афегата, но избежать этого, регулируя производительность турбокомпрессора другим способом - например, изменяя в зависимости от оборотов ротора угол воздействия потока выхлопных газов на лопатки турбины, - удается пока немногим. Турбокомпрессоры с изменяемой геометрией соплового аппарата, в которых пневмомеханическим приводом регулируется угол наклона лопаток сопла, выпускают лишь Garrett и несколько других ведущих фирм.

БОЛЕЗНИ И УХОД

Агрегат турбонаддува выполнен как необслуживаемый, то есть никакого специфического ухода и регулировки он не требует и после выработки ресурса, как правило, равного или превышающего ресурс самого мотора, подлежит замене. Однако можно сформулировать несколько простых рекомендаций, которые вооружат владельца автомобиля с турбодвигателем знанием ситуаций, в которые попадать нежелательно.

Подшипники ротора - это главный узел турбокомпрессора, от которого в основном зависит работоспособность всего агрегата. И нуждаются они главным образом в обильной и высококачественной смазке. Поэтому простейший совет - регулярно, по инструкции, менять фильтр и масло в двигателе и следить за его уровнем - для хозяина турбомотора должен стать железной заповедью. Масло может быть как на синтетической, так и на минеральной основе - это не столь существенно. Вообще, при выбор» типа смазки лучше руководствоваться заводскими указаниями и ни в коем случае не смешивать масла, даже одного типа, но разных сортов. Главное - класс качества масла по API должен быть не ниже SG/CD. Именно этот индекс свидетельствует о качестве пакета присадок, которые должны быть рассчитаны на работу в напряженнейшей зоне подшипникового узла турбокомпрессора, где и условия трения, и температура масла могут достигать экстремальных значений.

Но масло не только смазывает подшипники, но и охлаждает узел, поддерживая температуру на допустимом уровне. Если условия смазки ухудшаются - например, долго не меняли масло, и отложения снизили пропускную способность магистралей, - то масло начинает застаиваться в подшипниковом узле, что увеличивает теплонапряженность, и это вызывает закоксовывание и еще большее засорение магистрали. В итоге подшипники рано или поздно остаются сухими, а за этим следует их задир и поломка всего агрегата.

Еще один узел турбокомпрессора, исправность которого отражается и на состоянии «здоровья» двигателя - газомасляные уплотнения оси ротора, обычно выполнение в виде упругих стальных колец типа поршневых. Они изолируют систему смазки от впускной и выпускной полостей турбонагнетателя, и при их износе - а это обычно следует за радиальным биением ротора или люфтом его оси - масло начинает выдавливаться в полость компрессора, попадает в цилиндры и сгорает с характерным сизым дымком. Владелец грешит на «поршневую», а дело-то в турбокомпрессоре!

Поначалу этот эффект проявляется при запуске остывшего двигателя - клуб сизого дыма из выхлопной трубы может свидетельствовать о начавшемся износе подшипникового узла и уплотнений. Но точно так же проявляется и износ, например, маслосъемных колпачков или направляющих втулок клапанов самого двигателя...

Кстати, похожую картину может вызвать... засоренный воздушных фильтр! Когда он оказывает значительное сопротивление впуску, в коллекторе, особенно на холостых оборотах в бензиновых двигателях, возникает повышенное разрежение, на которое уплотнения просто не рассчитаны.

Влияет на работоспособность турбокомпрессора и состояние самого двигателя. Например, при износе поршневых колец возникающее избыточное давление картерных газов может препятствовать сливу масла из турбоагрегата - с соответствующими последствиями. Тот же самый эффект наблюдается и при ухудшении вентиляции картера. А нарушение топливных регулировок - неисправность системы впрыска - может привести к тому, что образующийся при неполном сгорании топлива нагар будет откладываться на колесе турбины и перепускном клапане, вызывая дисбаланс ротора и мешая нормальной работе регулятора давления.

Об исправности турбонагнетателя можно судить как по динамике разгона, так и по давлению наддувочного воздуха. Как правило, все автомобили с бензиновыми турбомоторами снабжены стрелочными указателями давления наддува в комбинации приборов. На холостом ходу стрелка прибора демонстрирует разрежение во впускном коллекторе и на «прогазовки» без нагрузки реагирует слабым отклонением. А вот при разгоне, скажем, на третьей передаче с небольших оборотов хорошо видно, как после открытия дроссельной заслонки "в пол" да вление наддува (и ускорение автомобиля) нарастает сначала медленно, а потом - в районе 2000-2500 об/мин на современных машинах - стрелка резко уходит вправо до упора, из-под капота доносится приглушенный свистящий звук турбины, и автомобиль мощно устремляется вперед. Кому-то этот «турбокайф» нравится, кому-то мешает прогнозировать реакцию машины на изменение подачи топлива - это дело вкуса. В конце концов, некоторые фирмы (Opel, Citroen, SAAB) предлагают самые «заряженные» версии или с «взрывными» четырехцилиндровыми турбомоторами, или с «ровными» и более тяговитыми на малых оборотах «шестерками»...

И наконец, немного «ездовых» рекомендаций. Особенных требований к прогреву турбодвигателей нет - исправная система смазки с нормальным фильтром обеспечивает мгновенную подачу масла к подшипникам нагнетателя. А вот при выключении двигателя после напряженной езды, когда мотор длительное время работал под большой нагрузкой на высоких оборотах, лучше дать ему поработать минутудругую на холостом ходу. Дело в том, что прекращение циркуляции масла после интенсивной работы вызывает «тепловой удар» - охлаждение резко прекращается, и масло в корпусе подшипников турбоагрегата нагревается до трехсот градусов, закоксовываясь и образуя отложения. А в крайнем случае - например, при остановке после долгой пробуксовки в грязи, когда «улитка» турбины раскаляется докрасна,- могут подклинить и даже расплавиться подшипники ротора...

Турбокомпрессор Garrett VNT25 с изменяемой геометрией соплового аппарата. С 1991 года он устанавливается на дизельный автомобиль Fiat Croma 2,5 TD

В лаборатории турбонаддува НАМИ полным ходом идет адаптация турбокомпрессора к «восьмерочному» мотору. Результаты не за горами...

А перед преодолением водных преград нужно оценить глубину брода - чугунный корпус турбины после «водных процедур» может треснуть, особенно на бензиновых моторах, где он сильнее нагрет.

«ЗА» И «ПРОТИВ» ТУРБОНАДДУВА

Начнем с минусов. Двигатель с турбонаддувом (да и с наддувом вообще) сложнее и дороже и в производстве, и в эксплуатации - ему требуется самое лучшее масло, да и менять смазку нужно почаще. До сих пор не удается избежать «турбоямы» и запаздываний, свойственных газотурбинному наддуву. Уменьшить эти явления может применение двух последовательно включенных турбокомпрессоров, «настроенных» по-разному - такая схема называется biturbo и широко применялась в автоспорте, а на легковых автомобилях ее впервые установила на одноименный автомобиль фирма Maserati. Но, увы, «битурбированный» мотор обходится еще дороже.

И, конечно, большие нагрузки испытывает сам двигатель, причем рост теплонапряженности и механических нагрузок пропорционален увеличению давления наддува (а значит, и мощности). Поэтому на серийных турбомоторах ограничивают давление до 0,3-0,8 кг/кв.см, обходясь весьма скромной по спортивным меркам форсировкой на 30-50%. Зато это позволяет, усилив детали двигателя (поршень, шатун и т. д.), сохранить ресурс мотора на «атмосферном» уровне.

Безболезненно повысить давление еще процентов на 10-20 позволяет промежуточный охладитель наддувочного воздуха (intercooler), который представляет из себя алюминиевый радиатор-теплообменник, включенный во впускной тракт между компрессором и коллектором. Он довольно эффективно снижает температуру сжатого воздуха и теплопоток через двигатель, позволяя сжечь в цилиндрах больше топлива без риска возникновения детонации. Но - опять же недешев...

Ну а плюсы турбонаддува - повышение литровой мощности, КПД двигателя, улучшение разгонной динамики, эластичности и (по сравнению с «атмосферным» мотором одинаковой мощности) топливной экономичности, - очевидны. К тому же, применение наддува позволяет уменьшить количество токсичных выбросов - СО и СН, а при промежуточном охлаждении воздуха еще и окислов азота NOx. А в последнее время появляются новые аргументы в пользу наддува.

XXI ВЕК - С НАДДУВОМ ИЛИ БЕЗ?

Начиная со второй половины 80-х годов, ведущие автомобилестроительные фирмы мира вкладывают миллионы долларов в научно-исследовательсие работы по уменьшению токсичности, снижению расхода топлива, одновременно стремясь повысить литровую мощность. Постепенно внедряя такие решения, как замена карбюратора впрыском, электронная оптимизация режимов работы, каталитическая нейтрализация, резонансный впуск и выпуск, регулируемые фазы, инженеры довели четырехтактный двигатель Отто почти до совершенства. Осталось применить на бензиновых моторах непосредственный впрыск, что и делают сейчас одними из первых Mitsubishi и Subaru. А что дальше?

Похоже, что в начале следующего столетия двигатель внутреннего сгорания все же будет преобладать над другими альтернативными силовыми установками. И, чтобы обеспечить очень жесткие нормы по токсичности, известные как Euro 3, конструкторам придется искать новые пути кардинальной модернизации поршневых моторов. И скорее всего, при этом забыть про наддув не удастся.

Один из путей - создание двигателей, реализующих циклы с внутренним охлаждением (циклы Миллера-Аткинсона) с обязательным применением наддува или механического, или комбинированного.

Второй путь - переход на... двухтактный цикл! Теоретически он может обеспечить лучшие показатели, и поэтому наследники смешных моторчиков DKW крутятся теперь на испытательных стендах Ford и Jaguar. Опять-таки вооруженные наддувом...

Третье направление - применение наряду с непосредственным впрыском различных схем наддува для обеспечения работы бензиновых двигателей на сверхобедненных смесях. Одни предлагают для этого комбинацию отключаемого приводного нагнетателя для малых оборотов и турбонаддува для средних и высоких. Ну а некоторые продолжают работать над еше одним типом агрегата наддува - волновым обменником давления

Сотргех, сочетающим достоинства всех традиционных видов нагнетателей, но исключительно сложным в разработке и производстве.

Идет совершенствование и старого доброго турбонаддува. Благодаря применению керамики и спецпластмасс снижается масса и момент инерции ротора, подшипники на газовой смазке и новые уплотнения позволят снизить потери на трение...

Так что мы стоим на пороге новых значительных изменений в конструкции двигателей - и Авторевю, несомненно. будет уделять внимание любым интересным новшествам. Жаль, что Россия в этой гонке - безнадежный аутсайдер.

Хотя наши отечественные разработки, пожалуй, могли бы составить конкуренцию «потрохам» концепт-каров именитых фирм. Приятно, что лаборатория турбонаддува НАМИ на голом энтузиазме продолжает научный поиск и практические разработки. Например, сделан и «обкатан» агрегат турбонаддува для «классических» двигателей ВАЗ, готовится турбонагнетатель для «восьмых» моторов. Позже мы о них расскажем подробнее. Кстати, тем бедолагам, кто мучается с неисправным турбонаддувом иномарок, здесь постараются помочь...

А. АЗБЕЛЬ Л. ГОЛОВАНОВ

Оглавление - - Назначение системы наддува Форсирование двигателя Типы систем наддува. Инерционный и волновой наддув Типы систем наддува. Электрический и Механический наддув. - Механический наддув. Поршневой наддув - Механический наддув. Мембранный наддув - Механический наддув. Винтовой наддув - Механический наддув. Система наддува ROOTS - Принцип работы системы ROOTS - Схема насосного действия роторов в системе ROOTS Типы систем наддува. Турбонаддув. Устройство турбонаддува. Принцип действия турбонаддува. Регулировка турбонаддува в бензиновом двигателе. - Регулирование турбонаддува с перепуском ОГ - Регулирование турбонаддува с изменяемой геометрией турбины - Регулирование турбонаддува с дросселированной турбиной

Оглавление - Устройство системы наддува в двигателе VW Golf 1. 4 TSI Схема работы наддува двигателя VW Golf 1. 4 TSI Диапазон работы компрессоров Скоростные характеристики двигателя VW Golf 1. 4 TSI Схема прироста мощности двигателя VW Golf 1. 4 TSI Элементы системы наддува. Турбокомпрессор. Элементы системы наддува. Выпускной коллектор. Элементы системы наддува. Охладитель нагнетаемого воздуха. Элементы системы наддува. Вестгейт. Элементы системы наддува. Клапан Blow-off. Элементы системы наддува. Система управления. Многоступенчатый наддув. Переключаемый наддув. Двухступенчатый наддув.

Форсирование двигателя - увеличение частоты вращения коленчатого вала - увеличение коэффициента наполнения Система наддува используется, как средство увеличения КПД двигателя: Повысить термический КПД - увеличение степени сжатия - большой риск возникновения детонации - сложная кинематика механизма Повысить индикаторный КПД: - оптимальное соотношение смеси: топлива и воздуха - качественное приготовление смеси - уменьшение потерь тепла

Форсирование двигателя Повысить эффективный КПД: - уменьшение длины юбки поршня, количества и высоты колец - Уменьшение количества приводимых от коленчатого вала агрегатов - уменьшение потерь на трение в двигателе - обеспечение быстрого прогрева двигателя и поддержанием оптимальной температуры при работе.

Типы систем наддува Инерционный наддув- давление в тракте создается при помощи набегающего потока воздуха Преимущества: сглаживает завихрения воздушного потока. эффективен при высоких скоростях Недостатки: быстро засоряется воздушный фильтр необходима определенная настройка системы питания. Волновой наддув- повышение коэффициента наполнения, за счет перепада давлений, между открытыми впускным и выпускным клапанами в фазе продувки за счет использования волновых эффектов Преимущества: эффективен при очень узком диапазоне оборотов Недостатки: Высокая стоимость.

Типы систем наддува Электрический наддув- требует мощного электродвигателя Преимущества: - Доступность - Прост в эксплуатации Недостатки: - Малая эффективность - Проблема обеднение подаваемой топливовоздушной смеси Механический наддув - в котором требуемая на сжатие воздуха мощность отбирается от коленчатого вала двигателя (механическая связь двигатель/нагнетатель). Преимущества: - Существенно повышает наполнение цилиндров топливовоздушной смесью - Понижает степень сжатия, что понижает детонацию - Усиление шатунно-поршневой группы Недостатки: - Забирает часть мощности с двигателя на вращение крыльчаток компрессора - Высокая стоимость

Типы систем наддува. Механический наддув. Поршневой нагнетатель поршень сжимает воздух, который потом подается через выпускной клапан к цилиндрам двигателя. 1. 2. 3. 4. 5. Впускной клапан Выпускной клапан Поршень Приводной (коленчатый)вал Картер нагнетателя

Механический наддув. Мембранный нагнетатель мембрана сжимает воздух, который через выпускной клапан подается в двигатель 1. 2. 3. 4. Впускной клапан Выпускной клапан Мембрана Приводной (кулачковый) вал

Механический наддув. Винтовой нагнетатель. воздух сжимают две лопасти, имеющие форму винта и вращающиеся на встречу другу 1. 2. 3. 4. Приводной вал Подача воздуха на сжатие Подача сжатого воздуха Винтообразные лопасти

Механический наддув. Нагнетатели системы ROOTS основу данной конструкции представляют два вращающихся ротора, приводимых в движение шестернями. 1. Корпус нагнетателя 2. Ротор - - Преимущества: Нагнетатель обеспечивает более высокий крутящий момент при более низком числе оборотов Имеет меньшее запаздывание по времени Хорошая чувствительность Недостатки: Давно не используется

Типы систем наддува Турбонаддув - в котором требуемая на сжатие воздуха мощность отбирается от ОГ (газодинамическая связь двигатель/нагнетатель); Преимущества: - Высокие температуры, приводят к более эффективной работе - Замена кривошипно-шатунного, деталей системы топливо отдачи, впускного и выпускного коллектора Недостатки: - Еще большая стоимость по сравнению с механическим нагнетателем - Отбирает часть мощности двигателя за счет возрастания противодавления на выпуске - Проблема инерционности - Высокий износ подшипников Различают два принципа наддува - Наддув с постоянным давлением - турбина может пропускать больше отработавших газов, при меньшем давлении, в области повышенных нагрузок двигателя Сокращает расход топлива Импульсный наддув обеспечивает более высокий крутящий момент на низких частотах вращения коленчатого вала

Устройство турбонаддува 1. Канал подачи ОГ 2. Крыльчатка турбины 3. Подвижная лопатка соплового аппарата 4. Патрубок подачи разрежения 5. Кольцо регулирования подвижных лопаток соплового аппарата 6. Подача смазки 7. Подача свежего воздуха к нагнетателю 8. Подача сжатого воздуха к двигателю

Регулировка турбонаддува в бензиновом двигателе. 1 - датчик частоты вращения коленчатого вала; 2 - охладитель наддувоч-ного воздуха; 3 - датчик давления наддува; 4 - клапан перепуска воздуха; 5 - калиброванное отверстие; 6 - измеритель расхода воздуха; 7 - соленоидный клапан; 8 - сервопривод перепускного клапана (мембранное устройство); 9 - турбокомпрессор; 10 - клапан перепуска газов мимо турбины; 11 - выпускной коллектор; 12 - датчик детонации; 13 - микропроцессор; 14 - датчик-указатель положения дроссельной заслонки; 15 - впускной коллектор; 16- датчик температуры воздуха.

Регулирование турбонаддува Для того, чтобы при больших скоростях отработавших газов, нагнетатель, не перегружали двигатель и сам не выходил из строя, давление наддува необходимо регулировать, для этого используют три конструктивных варианта: - Нагнетатель с перепуском отработавших газов при высоких нагрузках на двигатель, часть потока отработавших газов, направляется мимо турбины, прямо в систему выпуска отработавших газов. 1. Электропневматический преобразователь давления наддува 2. Вакуумный насос 3. Исполнительный механизм перепускного клапана 4. Корпус турбины 5. Перепускной клапан 6. Канал подачи ОГ к турбине 7. Канал подачи сжатого воздуха во впускной тракт 8. Газовая турбина 9. Компрессор

Регулирование турбонаддува Нагнетатель с изменяемой геометрией турбины дает возможность ограничить поток отработавших газов через турбину при высокой частоте вращения коленчатого вала а- Положение направляющих лопаток при высокой скорости потока ОГ b- Положение направляющих лопаток при низкой скорости потока ОГ 1. Крыльчатка турбины 2. Управляющее кольцо 3. Подвижные направляющие лопатки соплового аппарата 4. Управляющий рычаг 5. Управляющий пневматический цилиндр 6. Поток ОГ Высокая скорость потока ОГ Низкая скорость потока ОГ

Регулирование турбонаддува с изменяемой геометрией турбины Преимущества: - Возможность регулирования поступления потока отработавших газов через крыльчатки турбины - Безопасен, при отказе системы управления, ни нагнетатель, ни двигатель не повреждается. Недостатки: - Используется, только на дизельных двигателях.

Регулирование турбонаддува. Нагнетатель с изменяемой геометрией турбины Налаживающее кольцо Поддержив ающее кольцо Ведущая пластина вал Переменная лопасть Изменение контроля Контролирующа я пластина Соединение с вакуумной единицей

- Регулирование турбонаддува Нагнетатель с дросселированной турбиной регулировочная заслонка постепенным открытием подводимых каналов изменяет в этой конструкции проходное сечение для потока отработавших газов к турбине а - открыт один подводной канал b - открыты два подводных канала 1. Газовая турбина 2. Подводной канал 3. Подводной канал 4. Регулировочная заслонка 5. Перепускной канал 6. Тяга управления заслонкой

Регулирование турбонаддува Нагнетатель с дросселированной турбиной Преимущества: - Способность регулирования частоты вращения вала турбины - Наличие перепускного клапана, дает возможность отвести поток ОГ от турбины.

Аномальное сгорание - топлива Детонация – очень быстрое сгорание топлива в точках, удаленных от свечи, сопровождаемое резким местным перегревом и перегрузкой деталей двигателя. - Калильное зажигание – преждевременное воспламенение смеси от перегретых деталей камеры сгорания. Последствия аномального сгорания топлива - Прогар поршня, - Прогар гильзы, - Закоксовывание масла, - Перегрев двигателя.

Устройство системы наддува в двигателе VW Golf 1. 4 FSI Из воздушного фильтра (1) воздух поступает в компрессор (2), затем в Турбонагнетатель (3), а оттуда через трубопровод интеркулера (4) во впускной коллектор (5).

Элементы системы наддува 1. Турбокомпрессор (турбина) – нагнетает воздух в двигатель под давлением. увеличивает мощность двигателя Подача масла корпус Переменная лопасть Выхлопной выход Колесо турбины Поток воздуха из двигателя Налаживающее кольцо Нагнетающее колесо Поступающий воздух

Элементы системы наддува 2. Выпускной коллектор присоединяет турбину к двигателю Коллекторы выполняются из чугуна или из нержавеющей жаропрочной стали

Элементы системы наддува 3. Охладитель наддувного воздуха похоже на радиатор устанавливается между турбиной и впускным коллектором предназначено для охлаждения бывают типы «воздух-воздух» и «воздух-вода» .

Элементы системы наддува 4. Вестгейт (wastegate) – перепускной клапан стравливает лишнее давление выхлопных газов до турбины бывают различного диаметра проходного сечения (38 – 60 мм) стравливают газы в атмосферу либо в выпускную систему после турбины.

Элементы системы наддува 5. Клапан BLOW-OFF устанавливается между турбиной и впускным трубопроводом стравливает лишнее давление воздуха при переключении передач

Элементы системы наддува 6. Система управления. Устанавливается для управления подачей топлива и картой зажигания. Существуют системы управления (АБИТ и др.) которые можно настраивать под конкретный автомобиль.

Многоступенчатый наддув позволяет: существенно расширить пределы регулирования мощности, удается улучшить, как подачу воздуха в цилиндры, так и удельный расход топлива Переключаемый наддув При увеличивающейся нагрузке на двигатель, есть возможность подключения одного или нескольких нагнетателей. Преимущества - достижение двух, или больше, максимумов КПД Недостатки - Дороговизна системы, переключения нагнетателей

Двухступенчатый наддув последовательное подключение двух турбонагнетателей различной мощности, оснащенных байпасным регулированием. Преимущества: - быстрота достижения высокого уровня наддува - простота регулирования 1. Ступень низкого давления (турбонагнетатель с охлаждением наддувочного воздуха) 2. Ступень высокого давления (турбонагнетатель с охлаждением наддувочного воздуха) 3. Впускной коллектор 4. Выпускной коллектор 5. Перепускной клапан 6. Перепускная магистраль

Для бензиновых двигателей существует наддув трех видов:

• газотурбинный,
• резонансный,
• с помощью нагнетателя.

Чтобы понять, в чем заключается разница, необходимо вкратце рассказать о принципах работы. Невзирая на различия в конструкции, все эти детали направлены на одно – повышение мощности двигателя путем увеличения объема бензина, закачиваемого в камеру сгорания.

Чаще всего резонансный наддув устанавливается на моторах с распределенным впрыском топлива, где длина каналов впускного коллектора для каждого цилиндра имеет одинаковое расстояние. Его задача заключается в том, чтобы при 3000-3500 оборотах коленчатого вала в минуту обеспечить перед впускным каналом повышенное давление в момент его открытия посредством частоты колебаний топливной смеси внутри впускного коллектора. Небольшой диапазон работы такого наддува определяется размером ресивера. Существуют, правда, и многокамерные конструкции, но это тема другого разговора.

С работой двигателя по своим расходным характеристикам наиболее сбалансирован объемный нагнетатель. Это механический компрессор, который жестко закрепляется на коллекторе и приводится в действие при помощи ременной передачи от коленчатого вала.

Но использование такого варианта требует монтажа системы смазки, привода наддува, а в результате конструкция получается громоздкой и вдобавок еще и жутко шумит. В основном они применяются на больших автомобилях, поскольку для реализации нужно немало места. Весьма популярна такая система на территории Соединенных Штатов. Тут компрессоры устанавливаются на большущие двигатели в автомобили, в которых под капотом места, мягко говоря, "с запасом".

Газотурбинный наддув, который широкое применение нашел на большинстве легковых машин, совсем другое дело. Закрепиться на рынке этому методу наддува позволила простота конструкции и прекрасная отдача.

Принцип у такой системы достаточно прост. На выходе из двигателя благодаря отработанным газам вращается турбина, которая, в свою очередь, нагнетает давление во впускном коллекторе. Изначально было много проблем, таких, как "турбояма" или перегрев. Но на современных турбинах эти недостатки практически полностью устранены. Теперь системы в обязательном порядке комплектуются специальными корректорами, позволяющими улучшить показатели мощности мотора. Кроме этого, комбинация блока управления со старой доброй турбиной позволяет получить экономию топлива и организовать необходимую характеристику работы силового агрегата.

В зависимости от степени наддува мощность может увеличиваться до 40 процентов. И это результат для обычных серийных моторов без доработок. Что касается экстремального увеличения мощности, то все упирается только в надежность двигателя. Так что если у человека в автомобиле установлена карбюраторная система подачи топлива, тогда единственно верным выходом будет использование газотурбинного механизма.

В случае с инжектором в число наддува можно добавить резонаторный.

В VC-Tuning мы надуваем двигатели () любым из перечислееных выше способов.

Основные достоинства применения наддува заключаются, конечно, в повышении мощности при практически неизменных показателях массы и габаритов. Однако имеются и другие достоинства (которые оцениваются в условиях одинаковой развиваемой мощности как двигателем с наддувом, так и без наддува). К ним относятся следующие.

Повышение топливной экономичности, т.е. снижение удельного эффективного расхода топлива. Дизель с наддувом имеет более низкий удельный расход топлива, чем аналогичный дизель с естественным всасыванием, в диапазоне повышенных нагрузок, т.е. тогда, когда особенно существенно сказывается давление наддува.

Рис. Сравнение нагрузочных характеристик по удельному расходу топлива дизелей с наддувом и без наддува

При пониженных нагрузках, когда двигатель с наддувом приближается по этому показателю к двигателю без наддува, экономичность их сравнивается или даже ухудшается у наддувного двигателя. И всё же при 100% нагрузки безнаддувного двигателя его удельный расход превышает удельный расход дизеля с наддувом (при той же мощности) на величину, превышающую 7 %.

Основными причинами повышения экономичности дизеля с наддувом являются следующие:

• A) Более совершенное сгорание благодаря возможности использовать повышенный коэффициент избытка воздуха.
• Б) Большая доля топлива сгорает при постоянном объёме, повышается степень повышения давления X при сгорании.
• B) Зарядка цилиндра происходит воздухом повышенного давления, благодаря чему появляется дополнительная положительная работа, причём энергия на предварительное сжатие воздуха отбирается не от двигателя, а от отработавших газов, которые в двигателе без наддува выбрасывались в атмосферу.

Можно сказать, что моторесурс дизеля с наддувом превышает моторесурс аналогичного безнаддувного двигателя. Это связано со следующими факторами. Период задержки воспламенения в наддувном двигателе, как правило, уменьшается, т. к. впрыскивание топлива происходит в среду с повышенной температурой. В результате этого снижается фактор динамичности цикла, сгорание становится более мягким, пропадают характерные для дизеля ударные нагрузки.

Повышение температуры и давления заряда в цилиндре позволяют на двигателе с наддувом применять нетрадиционные (альтернативные) топлива, как правило, более дешёвые. Их особенностью как правило, является пониженная воспламеняемость (низкие цетановые числа), повышенная вязкость и т. д.

Повышенный коэффициент избытка воздуха позволяет лучше охлаждать камеру сгорания. Благодаря повышенному коэффициенту избытка воздуха отработавшие газы имеют более низкую температуру, т. е. не перегружают термическими нагрузками выпускной клапан и т. д. Благодаря наддуву среднее эффективное давление дизеля становится выше, но максимальное давление не возрастает в такой же степени, т.е. не возрастают нагрузки на подшипники и другие детали, что повышает срок их службы.

В нестандартных условиях, например, в условиях высокогорья, двигатель с турбонаддувом менее чувствителен к снижению плотности воздуха с ростом высоты над уровнем моря. Снижение плотности автоматически в определённой степени компенсируется повышением эффективности работы турбонагнетателя.

Практические достоинства применения наддува заключаются в следующем. Целесообразно применять наддув, если требуется повысить мощность силовой установки, практически не меняя конструкции самого двигателя. Целесообразно применять наддув, когда нужно сэкономить пространство, например, пространство внутри судна для увеличения полезного объёма перевозимого груза. Цена на двигатель с наддувом остаётся ниже, чем цена на двигатель без наддува (при одинаковой мощности).

При всех указанных достоинствах применение наддува обладает и рядом недостатков, которые зависят прежде всего от применяемых схем наддува, методов наддува, принципов его организации, конструктивного оформления системы наддува. На рисунке показано, что двигатель со свободным турбокомпрессором имеет номинальную мощность на 10 — 15 % выше, чем двигатель без наддува. Однако при этом коэффициент приспособляемости (К) по моменту снизился на 4,3 %, а по частоте (Кп) — на 7,5 %. Это является недостатком двигателя силовой установки транспортного назначения. Известно, что бензиновый двигатель более приспособлен для использования в качестве двигателя для транспортного средства благодаря высоким значениям коэффициентов приспособляемости по моменту. Такой двигатель обладает лучшей тяговой характеристикой.

Рис. Изменение внешней скоростной характеристики дизеля (характеристика крутящего момента) в вариантах без наддува и с наддувом

Спрямление внешней скоростной характеристики по моменту при применении наддува объясняется изменением (спрямлением) кривой относительного коэффициента наполнения.

В условиях эксплуатации двигатели различных назначений работают преимущественно на неустановившихся режимах. Двигатели со свободным турбокомпрессором обладают худшей приёмистостью, чем двигатели с приводными нагнетателями или другими специальными схемами наддува. То есть из-за отставания разгона турбокомпрессора от разгона коленчатого вала, происходит отставание процесса снабжения цилиндров воздухом, снижаются эксплуатационные экономические и мощностные показатели.

В целом, говоря о достоинствах дизелей с наддувом, можно отметить следующее:

1. Благодаря применению наддува можно поднять мощность силовой установки, источника энергии без дорогостоящих модернизаций.
2. Благодаря наддуву можно использовать более компактные установки, экономя габариты машинного зала, машинного отделения судна, подкапотного пространства автомобиля и т. д., а также снизить массу установки.
3. Благодаря наддуву можно снизить расход топлива, вообще стоимость расходов на эксплуатацию установок.
4. Благодаря турбонаддуву снижается шум выхлопа, т. к. турбина сама является хорошим глушителем шума.
5. Благодаря наддуву можно решить проблемы, связанные с эксплуатацией установок в высокогорных условиях.
6. Двигатели с наддувом позволяют применять более дешёвые, нетрадиционные топлива.
7. Двигатели с наддувом меньше загрязняют окружающую среду вредными выбросами.

К недостаткам наддува относятся более высокие механические и тепловые нагрузки, чем у двигателей без наддува. При определённых условиях двигатель с турбонаддувом имеет менее благоприятное протекание кривой крутящего момента двигателя, особенно при высоких степенях наддува. Двигатель со свободным турбонаддувом имеет худшую приёмистость.

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:

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.