Sw-motors.ru

Автомобильный журнал
0 просмотров
Рейтинг статьи
1 звезда2 звезды3 звезды4 звезды5 звезд
Загрузка...

Что такое двигатель с надувом

Турбонаддув

Турбонаддув — вид наддува, при котором воздух в цилиндры двигателя подается под давлением за счет использования энергии отработавших газов.

В настоящее время турбонаддув является наиболее эффективной системой повышения мощности двигателя без увеличения частоты вращения коленчатого вала и объема цилиндров. Помимо повышения мощности турбонаддув обеспечивает экономию топлива в расчете на единицу мощности и снижение токсичности отработавших газов за счет более полного сгорания топлива.

Система турбонаддува применяется как на бензиновых, так и на дизельных двигателях. Вместе с тем, наиболее эффективен турбонаддув на дизелях вследствие высокой степени сжатия двигателя и относительно невысокой частоты вращения коленчатого вала. Сдерживающими факторами применения турбонаддува на бензиновых двигателях являются возможность наступления детонации, которая связана с резким увеличением частоты вращения двигателя, а также высокая температура отработавших газов (1000°С против 600°С у дизелей) и соответствующий нагрев турбонагнетателя.

Несмотря на различия в конструкции отдельных систем, можно выделить следующее общее устройство турбонаддува — воздухозаборник и далее последовательно воздушный фильтр, дроссельная заслонка, турбокомпрессор, интеркулер, впускной коллектор. Все элементы объединяют соединительные патрубки и напорные шланги.

Большинство элементов турбонаддува являются типовыми элементами впускной системы. Отличительной особенностью турбонаддува является наличие турбокомпрессора, интеркулера и новых конструктивных элементов управления.

Турбокомпрессор (другое наименование – турбонагнетатель, газотурбинный нагнетатель) является основным конструктивным элементом турбонаддува и обеспечивает повышение давления воздуха во впускной системе. Конструкция турбокомпрессора объединяет два колеса — турбанное и компрессорное, расположенные на валу ротора. Каждое из колес, а также вал с подшипниками помещены в отдельные корпуса.

Турбинное колесо воспринимает энергию отработавших газов. Колесо вращается в корпусе специальной формы. Турбинное колесо и корпус турбины изготавливаются из жаропрочных материалов (сплавы, керамика).

Компрессорное колесо всасывает воздух, сжимает и нагнетает его в цилиндры двигателя. Компрессорное колесо также вращается в специальном корпусе.

Турбинное и компрессорное колеса жестко закреплены на валу ротора. Вал вращается в подшипниках скольжения. Подшипники плавающего типа, т.е. имеют зазор со стороны корпуса и вала. Подшипники смазываются моторным маслом системы смазки двигателя. Масло подается по каналам в корпусе подшипников. Для герметизации масла на валу установлены уплотнительные кольца.

В некоторых конструкциях бензиновых двигателей для улучшения охлаждения дополнительно к смазке применяется жидкостное охлаждение турбонагнетателей. Курпус подшипников турбонагнеталея включен в двухконтурную систему охлаждения двигателя.

Интеркулер предназначен для охлаждения сжатого воздуха. За счет охлаждения сжатого воздуха повышается его плотность и увеличивается давление. Интеркулер представляет собой радиатор воздушного или жидкостного типа .

Основным элементом управления системы турбонаддува является регулятор давления наддува, который представляет собой перепускной клапан (вейстгейт, wastegate). Клапан ограничивает энергию отработавших газов, направляя их часть в обход турбинного колеса, тем самым обеспечивает оптимальное давление наддува. Клапан имеет пневматический или электрический привод. Срабатывание перепускного клапана производится на основании сигналов датчика давления наддува системой управления двигателем.

В воздушном тракте высокого давления (после компрессора) может устанавливаться предохранительный клапан. Он защищает системы от скачка давления воздуха, который может произойти при резком закрытии дроссельной заслонки. Избыточное давление может стравливаться в атмосферу с помощью блуофф-клапана (blowoff) или перепускаться на вход компрессора с помощью байпас-клапана (bypass).

Принцип работы системы турбонаддува

Работа системы турбонаддува основана на использовыании энергии отработавших газов. Отработавшие газы вращают турбинное колесо, которое через вал ротора вращает компрессорное колесо. Компрессорное колесо сжимает воздух и нагнетает его в систему. Нагретый при сжатии воздух охлаждается в интеркулере и поступает в цилиндры двигателя.

Несмотря на то, что турбонаддув не имеет жесткой связи с коленчатым валом двигателя, эффективность работы системы во многом зависит от числа оборотов двигателя. Чем выше частота вращения коленчатого вала двигателя, тем выше энергия отработавших газов, быстрее вращается турбина, больше сжатого воздуха поступает в цилиндры двигателя.

В силу конструкции, турбонаддув имеет ряд негативных особенностей, среди которых с одной стороны задержка увеличения мощности двигателя при резком нажатии на педаль газа, т.н. «турбояма» (turbolag), с другой — резкое увеличение давления наддува после преодоления «турбоямы», т.н. «турбоподхват».

«Турбояма» обусловлена инерционностью системы (для повышения давления наддува при резком нажатии на педаль газа требуется определенное время), которая приводит к несоответствию между потребной мощностью и производительностью компрессора. Существует несколько способов решения данной проблемы:

  1. применение турбины с изменяемой геометрией;
  2. использование двух последовательных или параллельных турбокомпрессоров (twin-turdo или bi-turdo);
  3. комбинированный наддув.

Турбина с изменяемой геометрией (VNT – турбина) обеспечивает оптимизацию потока отработавших газов за счет изменения площади входного канала. Турбины с изменяемой геометрией нашли широкое применение в турбонаддуве дизельных двигателей, к примеру турбонаддув двигателя TDI от Volkswagen.

Система с двумя параллельными турбокомпрессорами применяется в основном на мощных V-образных двигателях (по одному на каждый ряд цилиндров). Принцип работы системы основан на том, что две маленькие турбины обладают меньшей инерцией, чем одна большая.

При установке на двигатель двух последовательных турбин максимальная производительность системы достигается за счет использования разных турбокомпрессоров на разных оборотах двигателя. Некоторые производители идут еще дальше и устанавливают три последовательных турбокомпрессора — triple-turbo (BMW) и даже четыре турбокомпрессора — quad-turbo (Bugatti).

Комбинированный наддув (twincharger) объединяет механический и турбонаддув. На низких оборотах коленчатого вала двигателя сжатие воздуха обеспечивает механический нагнетатель. С ростом оборотов подхватывает турбокомпрессор, а механический нагнетатель отключается. Примером такой системы является двойной наддув двигателя TSI от Volkswagen.

4.2.2. Способы наддува двигателя

В современном автомобилестроении наддув двигателей выполняется различными способами, для реализации которых применяют основанные на разных принципах действия нагнетатели и турбокомпрессоры. Исторически сложилось так, что термин «нагнетатель» применяется, в основном, к устройствам сжатия воздуха, имеющим механический привод от коленчатого вала двигателя.

Наддув двигателя с помощью нагнетателей, имеющих механический привод от коленчатого вала, известен с 30-х годов. В настоящее время наиболее известны конструкции механических нагнетателей Roots, Sprintex (со спиральными лопастями), Zoller, Wankel. Справедливости ради следует сказать, что нагнетатели фирмы Wankel и Zoller (шиберные или пластинчатые) так и не вышли из стадии опытной разработки.

Более сложным технологически в изготовлении является нагнетатель серии G , получивший свое название из-за формы спиралей, напоминающей эту букву. Идея такого нагнетателя была известна еще в начале XX века, но впервые была реализована фирмой Volkswagen в 1985 г. Нагнетателем G40 фирма VW оснащала двигатели автомобилей Polo вплоть до 1994 г. При рабочем объеме двигателя 1,3л применение наддува позволило получить мощность 83,2 кВт (113 л.с.). С 1988 г. фирма комплектовала некоторые двигатели автомобилей Corrado и Passat нагнетателем повышенной производительности G60, в результате чего при рабочем объеме двигателя 1,8 л он развивал мощность 117,8 кВт (160 л.с.). Цифра в маркировке нагнетателей серии G означает ширину их спиралей. При частоте вращения ротора 10200 1/мин нагнетатель серии G способен создать избыточное давление до 0,72 бар. При параметрах нагнетателя, обеспечивающих наибольшее значение максимального крутящего момента, заслонка перепускного трубопровода во время работы бензинового двигателя на номинальной мощности должна приоткрываться, чтобы избежать переобеднения смеси.

Общий существенный недостаток, присущий всем нагнетателям с механическим приводом от KB, — это необходимость затрат на их привод части мощности, развиваемой двигателем. По этой причине при одинаковом давлении

Читать еще:  Шум работы двигателя ларгус

наддува двигатель с нагнетателем несколько проигрывает в экономичности двигателю с турбокомпрессором.

Главные преимущества нагнетателей с механическим приводом от KB заключаются в том, что при воздействии на педаль акселератора их производительность практически мгновенно изменяется. Это позволяет обеспечивать быструю ответную реакцию двигателя на изменение нагрузки и его высокую приёмистость. Кроме того, двигатель с таким нагнетателем характеризуется более крутой кривой зависимости мощности от частоты вращения KB и отличается достаточно большим крутящим моментом при пониженной частоте вращения.

Именно благодаря названным преимуществам эти нагнетатели достаточно широко применяются при тюнинге двигателей автомобилей, к динамическим качествам которых предъявляются повышенные требования. Последнее наглядно продемонстрировано на международной автомобильной выставке во Франкфурте в сентябре 1999г., где представили свою продукцию три десятка европейских тюнинговых фирм. Так фирма Lorinser показала автомобили Mercedes с V-образными 8-цилиндровыми бензиновыми двигателями, оборудованными системой впрыскивания с измерителем массового расхода воздуха и нагнетателем с механическим приводом. Благодаря наддуву мощность базового двигателя Е430 была увеличена на 24% и составила 255,4 кВт (347 л.с.). Максимальный крутящий момент возрос на 27,5% и достиг значения 510 Нм. Форсирование аналогичным способом базового двигателя Е 50 AMG позволило увеличить мощность и максимальный крутящий момент примерно на 17%, в результате чего эти показатели достигли значений соответственно 305,4

кВт (415 л.с.) и 620 Нм.

В нагнетателях, названных выше, сжатие воздуха и вытеснение его во впускной коллектор двигателя происходит благодаря уменьшению объема полости, заключенной между рабочими элементами нагнетателя. То есть имеет место механическое сжатие свежего заряда (отсюда, вероятнее всего, и возник термин «механический» нагнетатель). В волновом нагнетателе Comprex фирмы Asea-Brown-Boweri объем аксиально расположенных полостей в роторе не изменяется. По конструкции ротор, имеющий механический привод от KB, напоминает барабан револьвера. При вращении ротора торец полости с заполнившим ее свежим воздухом подходит к отверстию, через которое в эту полость начинают поступать отработавшие газы. В результате взаимодействия горячих ОГ с холодным воздухом образуется волна давления. Фронт этой волны сжимает воздух и при подходе торца полости к отверстию впускного коллектора происходит вытеснение воздуха в коллектор. Так как ротор продолжает вращаться, то торец полости ротора уходит от отверстия впускного коллектора, и ОГ не успевают проникнуть туда вслед за сжатым воздухом. Выпуск ОГ

происходит уже в отверстие выпускного трубопровода, после чего в полости ротора создается разрежение, способствующее наполнению полости свежим воздухом при перемещении торца ротора к отверстию впускного трубопровода. Далее этот процесс при вращении ротора повторяется в каждой его полости. Волновой нагнетатель уже достаточно хорошо себя зарекомендовал и успешно применяется некоторыми автомобильными фирмами. В частности, японская фирма Mazda использует его на одном из своих серийных двигателей.

Сравнение приёмистости механического и волнового нагнетателей показывает, что оба они достаточно быстро реагируют на изменение положения педали акселератора, обеспечивая требуемое давление наддува за считанные доли секунды. Тем не менее, механический нагнетатель делает это несколько быстрее.

Реакция турбокомпрессора (ТК) на изменение положения педали акселератора более замедленная. Для примера можно привести такие цифры: с момента изменения положения педали в режиме холостого хода давление наддува в 1,5 бар механический нагнетатель обеспечивает примерно за 0,25 с, волновой нагнетатель — за 0,80 с, а ТК — за 2,15 с. Такая низкая приёмистость объясняется отсутствием механической связи ротора ТК с коленчатым вала двигателя. Замедленная реакция срабатывания ТК на изменение частоты вращения KB наглядно представлена на рис. 4.2.1.

Рис. 4.2.1. Изменение параметров рабочего процесса дизельного двигателя 8ЧН13/14 при пуске из холодного состояния при температуре окружающей среды +20 °С: p ka — абсолютное давление наддува; n k — частота вращения ротора ТК; α — коэффициент избытка воздуха; n —

частота вращения KB; p max — максимальное давление сгорания; p c —

давление конца сжатия

На рис. 4.2.1 отсчет времени дан с момента достижения ВМТ поршнем в индицируемом цилиндре. Как видно из рисунка, в течение первых 0,6. 0,7 с при возрастающей частоте вращения KB давление во впускном коллекторе p ka уменьшается, несмотря на повышение значения n k . Некоторое увеличение при этом коэффициента избытка воздуха α является следствием уменьшения цикловой подачи топлива, обеспечиваемой регулятором частоты вращения КВ. Монотонное увеличение давления наддува pka начинает проявляться лишь по достижении ротором ТК значения nk =. 8500 1/мин. На значительную инерционность ротора ТК указывает и то, что после выключения регулятором цикловой подачи топлива при достижении коленчатым валом частоты вращения 1200 1/мин и последующем отсутствии вспышек в цилиндрах двигателя в течение примерно 0,6 с частота вращения ротора ТК продолжает возрастать. Но даже при n k ≈ 12500 1/мин давление наддува остается все еще ниже атмосферного

давления. Это обстоятельство косвенно указывает на то, что при частичных нагрузках энергии отработавших газов недостаточно, чтобы обеспечить давление наддува, необходимое для создания повышенного крутящего момента.

Причины плохой приёмистости ТК обусловлены принципом его действия. В турбокомпрессоре с одного конца ротора жестко закреплено турбинное колесо, а с другого конца — компрессорное колесо. Протекающие через лопатки турбинного колеса горячие отработавшие газы приводят ротор во вращение, благодаря чему компрессорное колесо вращается с такой же скоростью и производит сжатие и подачу в двигатель необходимого ему воздуха. Обеспечив таким образом подачу в цилиндры большего количества воздуха, можно увеличить и количество подаваемого топлива, повышая за счет этого агрегатную мощность двигателя. При этом на привод ТК не требуется отбирать от двигателя часть его мощности, как это имеет место в случае применения нагнетателей с механическим приводом. В данном случае ТК для сжатия свежего заряда использует часть энергии отработавших газов, которая в двигателях без наддува безвозвратно теряется. Благодаря этому у двигателя с турбонаддувом эффективный КПД и экономичность несколько выше, чем у двигателя без наддува или с нагнетателем, имеющим механический привод. Однако по приёмистости двигатель с турбонаддувом из-за инерционности ТК уступает как двигателю без наддува, так и двигателю с нагнетателем, имеющим механический привод.

Турбокомпрессоры для автомобильных двигателей имеют относительно небольшие габаритные размеры и незначительную массу. Чем меньше габариты

26. Наддув двухтантных двигателей

В простейшей конструктивной форме двухтактного двигателя с тремя каналами функции распределительного органа выполняет поршень, открывающий и закрывающий впускные, перепускные и выпускные окна цилиндра. Такое устройство по существу нерационально для работы двигателя с наддувом, так как выпускные окна закрываются позднее перепускных; диаграмма распределения получается симметричной (рис. 110). Если применить наддув, то в лучшем случае (с большой потерей свежей смеси в выпускные окна) можно было бы приблизить коэффициент наполнения к единице. Между тем потеря смеси в выпуск означает большой расход горючего, непроизводительную затрату мощности на привод нагнетателя и уменьшение литровой мощности.

Наддув в сочетании с симметричными фазами газораспределения сначала применяла на своих гоночных мотоциклах фирма DKW.

Рис. 110. Фазы газораспределения двухтактного двигателя (слева — симметричные, справа — несимметричные)

Читать еще:  Электронная регулировка оборотов дизельного двигателя

Схема на рис. 111, а соответствует первым двигателям DKW, выпускавшимся в период с 1926 до 1931 г. Они работали по принципу обычной трехканальной системы с дефлектор ной продувкой, но имели поршневой нагнетатель, непосредственно соединенный с полостью картера. Поршень нагнетателя приводится в движение специальным шатуном и эксцентриком, закрепленным на коленчатом валу. При движении поршня двигателя вверх поршень нагнетателя идет вниз, всасывая в картер дополнительное количество горючей смеси. Во время следующего хода поршни сходятся, сжимая смесь, и заставляют ее переходить в цилиндр двигателя в момент открытия перепускных окон. Эксцентрик устанавливается с таким расчетом, чтобы поршень нагнетателя немного отставал от поршня двигателя и подходил к своему верхнему положению в момент закрытия перепускных окон.

Рис. 111. Схемы двухтактных гоночных двигателей DKW с нагнетателями

Впускные окна, соединенные с карбюратором, управляются нижней кромкой поршня и на схеме не показаны.

К 1932 г. удалось довести мощность такого двигателя (250 см 3 ) до 13 кВт. Однако к этому времени лучшие образцы четырехтактных двигателей класса 250 см 3 развивали до 16 кВт и мотоциклы DKW терпели одно поражение за другим от английских мотоциклов с четырехтактными двигателями.

Своего рода сенсацией явился первый приз, полученный гонщиком Э. Торричелли на австрийском мотоцикле «Пух» с двухтактным двухпоршневым двигателем класса 250 см 3 за гонку на Большой приз Германии в 1931 г., в период, когда английские мотоциклы с четырехтактными двигателями выигрывали подряд почти все крупные соревнования.

Может быть это событие в известной степени повлияло на решение фирмы DKW перейти в 1932 г. на двухпоршневой тип конструкции двухтактных гоночных двигателей.

На практике осуществление эффективного двухтактного процесса было связано с серьезными трудностями. Главная задача состояла в получении высокого коэффициента наполнения и в уменьшении до минимума коэффициента остаточных газов. Для улучшения этих показателей в основу всех следующих конструкций DKW, приведенных схематически в хронологическом порядке на рис. 111, положена схема двигателя с так называемым П-образным цилиндром. Одному из первых двигателей такого типа в сочетании с поршневым нагнетателем соответствует схема 111,6. Здесь два параллельных цилиндра имеют общую камеру сгорания. Правый поршень управляет выпускными окнами, а левый — перепускными.

Выпускной поршень соединен при помощи шатуна с коленчатым валом обычным способом; шатун перепускного поршня присоединяется к боковой проушине на нижней головке выпускного шатуна.

Преимущество такой схемы заключается в сдвиге фаз распределения выпускных и перепускных окон. В момент прохода поршнями н. м. т. перепускной поршень несколько отстает от выпускного и перепускные окна закрываются позднее выпускных, благодаря чему можно с успехом применить подачу горючей смеси под давлением от нагнетателя с минимальными потерями на выпуск. Диаграмма распределения приобретает несимметричный вид (см. рис. 110).

Конструкции с П-образными цилиндрами могут быть условно причислены к разряду двигателей с прямоточной продувкой, давшей хорошие результаты по качеству наполнения и очистки цилиндра. При прямоточной продувке нет потоков горючей смеси и продуктов сгорания, движущихся навстречу один другому. Отличные свойства прямоточной продувки хорошо известны по опыту эксплуатации двухпоршневых дизелей. По сути дела П-образный цилиндр представляет собой согнутый цилиндр двигателя с поршнями, двужущимися в противоположных направлениях.

Так же, как и в предыдущей схеме, поршень нагнетателя приводится в действие от коленчатого вала шатуном и эксцентриком, но цилиндр расположен горизонтально. Горючая смесь проходит от цилиндра нагнетателя непосредственно в цилиндр двигателя, минуя картер. Нагнетатель всасывает горючую смесь через несколько мембранных клапанов, помещенных на крышке его цилиндра. Мембранный клапан представляет собой тонкую металлическую пластинку, прикрепленную одним концом к крышке. Каждая мембрана прикрывает соответствующую щель на крышке. Когда над поршнем возникает разрежение, мембрана отгибается атмосферным давлением и пропускает горючую смесь внутрь цилиндра нагнетателя. Таким образом, мембраны играют роль автоматических клапанов. Ничтожная инерция мембран позволяет двигателю развивать свыше 5000 мин -1 .

Двигатели класса 250 см 3 с П-образным цилиндром и мембранными клапанами развивали до 16 кВт (65 кВт/л) и выиграли в ряде гонок у лучших четырехтактных машин, но мембраны были подвержены поломкам и причиняли много неприятностей. Наиболее надежными оказались мембраны, выполненные из шведской пружинной стали, а на позднейших типах двигателей — из бериллия.

На схеме рис. 111, в показана дальнейшая модификация мембранного двигателя с П-образным цилиндром. Нагнетатель имеет вертикальный цилиндр е укороченным перепускным каналом и самостоятельный коленчатый вал, соединенный с валом двигателя цепной передачей.

Рабочий объем поршневых нагнетателей постепенно увеличивали от 130 см 3 (диаметр цилиндра 90 мм, ход поршня 20 мм) до 440 см 3 (D — 100 мм, S = 56 мм).

Следующим этапом развития явился двигатель с вертикальным поршневым нагнетателем и вращающимся впускным клапаном (золотником), выполненный по схеме 111, г. Вращающийся клапан позволил отказаться от нежных мембран, увеличил наполнение нагнетателя и сделал двигатель весьма надежным в работе. Передача от коленчатого вала к валу нагнетателя осуществлялась цилиндрическими шестернями. По мощности 20 кВт двигатель (250 см 3 ) превосходил четырехтактные двигатели 1938 г. и отличался хорошей приемистостью.

Таким образом, к концу 30-х годов гоночные мотоциклы с двухтактными двигателями, имеющими нагнетатель, были практически равноценны по быстроходности гоночным мотоциклам с четырехтактными двигателями без нагнетателей. Однако мотоциклы с двухтактными двигателями расходовали значительно больше топлива и при определенной длине дистанции гонки должны были делать остановку для пополнения запаса топлива, тогда как мотоциклы с четырехтактными двигателями нередко могли пройти всю дистанцию безостановочно и за счет этого показать лучший результат.

Главными соперниками в этот период борьбы между сторонниками применения двухтактного и четырехтактного двигателей были мотоциклы DKW (Германия) и «Гуцци» (Италия).

Когда в 1939 г. появились гоночные мотоциклы «Гуцци» и «Бенелли» с четырехтактными двигателями с нагнетателями, преимущество в быстроходности оказалось снова у сторонников применения четырехтактных двигателей. В это время фирма DKW разработала свой последний вариант гоночного двухтактного двигателя, показанный на схеме 111, д. Он имеет два П-образных цилиндра и двухколенчатый вал; нагнетатель ротативного типа нагнетает горючую смесь в картер, откуда она поступает в цилиндры через перепускные каналы. Нагнетатель получает вращение от коленчатого вала с помощью цепной передачи. Перед второй мировой войной двигатель находился в экспериментальной стадии и развивал мощность более 29 кВт.

Для выпуска небольшими сериями фирма DKW в те же годы разработала менее форсированный тип двигателя (15 кВт) с П-образным цилиндром и картерным поршневым нагнетателем, как у первых образцов с дефлекторной продувкой, но с горизонтальным расположением цилиндра нагнетателя (схема 111, е). Впускные окна этого двигателя управляются нижней кромкой выпускного поршня.

Все двухтактные двигатели DKW строились с водяным термосифонным охлаждением и зажиганием от магнето маховичного типа. В конструкциях с картерными нагнетателями пользовались смазкой из смеси моторного масла с горючим в отношении 1 : 20. В остальных случаях (схемы 111, б, в и г), когда горючая смесь не проходит через картер, предусматривалась отдельная смазка масляным насосом с постоянной подачей свежего масла по нециркуляционной системе («на полный прогар»).

Известны конструкции гоночных двухтактных двигателей с противоположно движущимися поршнями, в которых осуществляется прямоточная, теоретически наиболее рациональная продувка. К этому типу относятся двигатели «Империя» (350 см 3 , 1935 г.), ГК-1 (350 см 3 , 1946 г., рис. 112) и ИФА (125 см 3 , 1956 г.). При такой схеме двигатель имеет два коленчатых вала, связанных какой-либо, например шестеренной, передачей. Двигатели этого типа были довольно громоздкими и на практике не отличались высокими эксплуатационными качествами.

Читать еще:  Вибрация холодного двигателя матиз

Рис. 112. Гоночный двухтактный двигатель ГК-1 класса 350 см 3 с прямоточной продувкой и наддувом

Все типы двухтактных двигателей с наддувом отличаются очень напряженным тепловым режимом работы; в первую очередь это относится к выпускным поршням и их поршневым кольцам, которые нередко получают повреждения вследствие интенсивного неравномерного нагрева. Кроме того, компрессорные двухтактные двигатели отличаются большим расходом горючего.

После запрещения в 1946 г. ФИМ использования наддува в двигателях мотоциклов для дорожных гонок разработка двухтактных двигателей с таким принципом питания практически прекратилась. Можно не сомневаться в том, что дальнейшее развитие двухтактных двигателей с наддувом могло бы дать существенное повышение мощностных показателен, но поскольку при стремлении к высоким литровым мощностям (обусловленном классификацией мотоциклов по рабочему объему двигателя) сочетание двухтактного принципа работы с наддувом неизбежно сопровождалось резким повышением удельных расходов топлива, рассматриваемое направление развития имело в основном спортивное, а не техническое значение. Перспективным путем формирования двухтактных двигателей без повышения удельных расходов топлива является непосредственный впрыск топлива в цилиндр, так как при этом в процессе продувки могут иметь место только потери воздуха.

Турбонаддув и другие системы наддува двигателя

В последнее время большинство ведущих фирм при выпуске новой модели двигателей предусматривает создание их модификаций с наддувом. Существовавшие ранее проблемы по герметизации карбюраторной системы питания и дозированию топлива при переходе на системы с распределенным впрыскиванием бензина в основном отпали. Поэтому сейчас выпускаются двигателя с наддувом только в сочетании с системой впрыскивания топлива. Однако остались проблемы, присущие всем двигателям с наддувом: необходимость охлаждения наддувочного воздуха, снижение степени сжатия для предотвращения аномальных процессов сгорания и соответствующее ухудшение экономических показателей на частичных нагрузках, обеспечение надежности двигателя при увеличении нагрузок на несущие детали двигателя при наддуве, повышение потерь с охлаждающей жидкостью, увеличение выброса оксидов азота.

Нагнетатели с механическим приводом

Существуют три основных типа систем наддува: турбонаддув, нагнетатель с механическим приводом и система с волновым обменником давления типа компрекс. Ротор этого компрессора имеет аксиально расположенные камеры, или ячейки. При вращении ротора в ячейку поступает свежий воздух, после чего она подходит к отверстию в корпусе, через которое в нее попадают горячие отработавшие газы двигателя. При их взаимодействии с холодным воздухом образуется волна давления, фронт которой, движущийся со скоростью звука, вытесняет воздух в отверстие впускного трубопровода, к которому ячейка за это время успевает подойти. Поскольку ротор продолжает вращаться, отработавшие газы в это отверстие попасть не успевают, а выходят в следующее по ходу ротора. При этом в ячейке образуется волна разряжения, которая всасывает следующую порцию свежего воздуха и т. д.

Большинство модификации форсированных серийных бензиновых двигателей выполняются с турбонаддувом. При этом не требуется изменять конструкцию базового двигателя для привода нагнетателя. Использование энергии отработавших газов не вызывает увеличения внутренних потерь на привод нагнетателя. Основным недостатком турбонаддува является инерционность его ротора. Это сказывается на динамике автомобиля при разгоне, особенно у бензиновых двигателей, работающих при минимальной частоте вращения холостого хода на режиме глубокого дросселирования и, следовательно, ротор нагнетателя за доли секунды должен разогнаться от минимальной частоты вращения до 120 000-150 000 об/мин. Максимально допустимая частота вращения ротора турбонаддува доходит до 200 000 об/мин. При резком закрытии дроссельной заслонки происходит увеличение перепада давления, что приводит- к повышению частоты вращения ротора и компрессор может оказаться в помпажном режиме работы. Одним из способов устранения этих недостатков является установка перепускного клапана между воздушными каналами до и посте компрессора.

Существуют две схемы расположения элементов впускной системы с установкой дроссельной заслонки до и после турбонагнетателя. При положении дроссельной заслонки перед турбонагнетателем частота вращения его ротора выше, поэтому при ее резком открытии время выхода на рабочие режимы сокращается и, соответственно, улучшается динамика разгона автомобиля. С целью уменьшения момента инерции ротора он иногда выполняется из титана вместо никелевого сплава, что позволяет облегчить ето примерно на 40%.

Регулирование давления наддува может производиться не только перепуском воздуха, но и перепуском отработавших газов, в обход турбины через специальный клапан, управляемый электронным блоком по сигналу от датчика детонации.

КПД компрессора находится в пределах 0,7-0,74, а турбины 0,7 Однако в отдельных случаях за счет оптимизации геометрии колес компрессора КПД удастся увеличить до 0,82-0,83

Важной проблемой при совершенствовании турбокомпрессора является разработка новых типов подшипников, которые можно классифицировать следующим образом:

—подшипники скольжения с плавающими не вращающимися втулками;
—подшипники скольжения с плавающими вращающимися втулками;
—подшипники качения;
—комбинированные узел
—газовые подшипники.

Подшипники турбонаддувов двух первых групп относительно просты по конструкции, но у них повышенные потери на трение. Применение подшипников качения с фитильной смазкой уменьшает угар масла, упрощается узел уплотнения, снижаются потери на трение. Газовые подшипники имеют высокий механический КПД, но требуют источника сжатого воздуха.Для улучшения динамики автомобиля используются комбинированные системы с инерционным наддувом и турбонаддувом.

Отдельную группу представляют системы с механическим приводом нагнетателя в сочетании с приводом через вариатор, изменяющий передаточное число, с использованием электромагнитных и других типов муфт для отключения нагнетателя. Механический привод используется для нагнетателей следующих типов:

—роторные нагнетатели типа Рутс двух или трехлопастные;
—роторно-поршневой нагнетатель с внутренней осью;
—лопаточный (шиберный) нагнетатель;
—роторный нагнетатель с винтовыми лопастями;
—центробежный нагнетатель.

Роторные нагнетатели типа Рутс могут обеспечивать достаточно высокое давление (до 3 бар и выше). Поэтому они применяются в основном для двухтактных двигателей, чтобы обеспечить высокую эффективность продувки. Роторно-поршневые нагнетатели с внутренней осью имеют достаточно высокий КПД (от 0,63 до 0,69). Разработанная фирмой Pierburg серия нагнетателей имеет один диаметр наружного ротора (100 мм) и роторы различной длины (от 90 до 200 мм) при относительно невысокой массе (от 5,7 до 10,7 кг). При номинальном числе оборотов ротора (12 000 об /мин) они, соответственно, обеспечивают производительность от 400 до 1050 кг/ч. Номинальная мощность двигателей с этими нагнетателями находится в пределах от 104 до 272 кВт.

Центробежные нагнетатели с механическим приводом. Чтобы обеспечить высокую частоту вращения крыльчатки компрессора (до 80 000 об /мин), передаточное число редуктора для их привода приходится увеличивать до 1:15. Фирмой ZF для этого используется многоступенчатая планетарная передача и электромагнитная муфта сцепления.

Лопаточные нагнетатели применяются в системах с невысоким давлением, например для подачи дополнительного воздуха в выпускную систему двигателя с окислительным нейтрализатором или в двухтактных двигателях с кривошипно-камерной продувкой. При повышении давления воздуха увеличивается давление на лопатки, что приводит к их поломке.

голоса
Рейтинг статьи
Ссылка на основную публикацию
ВсеИнструменты
Adblock
detector