Sw-motors.ru

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

Что такое наддувный двигатель

22. Наддув двигателей внутреннего сгорания. Устройство турбокомпрессора.

Наддув — увеличение количества свежего заряда горючей смеси, подаваемой в двигатель внутреннего сгорания, за счёт повышения давления при впуске. Позволяет повысит мощность двигателя.

Виды наддува

В ДВС применяют три типа наддува: резонансный –при котором используется кинетическая энергия объема воздуха во впускных коллекторах (нагнетатель в этом случае не нужен).

механический – в этом варианте компрессор приводится во вращение ремнем от двигателя.

газотурбинный (или турбонаддув) – турбина приводится в движение потоком отработавших газов.

Механический наддув. (воздух закачивается компрессором) .

Механические нагнетатели позволяют довольно простым способом существенно поднять мощность мотора. Имея привод непосредственно от коленчатого вала двигателя, компрессор способен закачивать воздух в цилиндры при минимальных оборотах и без задержки увеличивать давление наддува строго пропорционально оборотам мотора.

Существует два вида механических нагнетателей: объемные и центробежные.

Конструкция Roots напоминает масляный шестеренчатый насос. Два ротора вращаются в противоположные стороны внутри овального корпуса. Оси роторов связаны между собой шестернями. Особенность такой конструкции в том, что воздух сжимается не в нагнетателе, а снаружи – в трубопроводе, попадая в пространство между корпусом и роторами.

Еще один способ нагнетать во впускной коллектор воздух под избыточным давлением в свое время предложил инженер Лисхольм .

Внутри корпуса установлены два взаимодополняющих винтовых насоса (шнека). Вращаясь в разные стороны, они захватывают порцию воздуха, сжимают и загоняют ее в цилиндры. Характерна такая система внутренним сжатием и минимальными потерями, благодаря точно выверенным зазорам. Кроме того, винтовые наддувы эффективны практически во всем диапазоне оборотов двигателя, бесшумны, очень компактны, но чрезвычайно дороги из-за сложности в изготовлении.

Центробежные нагнетатели по конструкции напоминают турбонаддув. Избыточное давление во впускном коллекторе также создает компрессорное колесо (крыльчатка). Его радиальные лопасти захватывают и отбрасывают воздух в окружной тоннель при помощи центробежной силы. Отличие от турбонаддува лишь в приводе.

Схема управления механическим нагнетателем довольно проста. При полной нагрузке заслонка перепускного трубопровода закрыта, а дроссельная открыта — весь поток воздуха поступает в двигатель. При работе с частичной нагрузкой дроссельная заслонка закрывается, а заслонка трубопровода открывается — избыток воздуха возвращается на вход нагнетателя. Входящий в схему охладитель наддувочного воздуха (Intercooler) является почти непременной составной частью не только механических, но и газотурбинных систем наддува. При сжатии в компрессоре (либо в нагнетателе) воздух нагревается, в результате чего его плотность уменьшается. Это приводит к тому, что в рабочем объеме цилиндра воздуха, а, следовательно, и кислорода, по массе помещается меньше, чем могло бы поместиться при отсутствии нагревания. Поэтому сжатый воздух перед подачей его в цилиндры двигателя предварительно охлаждается в интеркулере. По своей конструкции это обычный радиатор, который охлаждается либо потоком набегающего воздуха, либо охлаждающей жидкостью. Понижение температуры наддувочного воздуха на 10 градусов позволяет увеличить его плотность примерно на 3%. Это, в свою очередь, позволяет увеличить мощность двигателя примерно на такой же процент.

Турбокомрессор.

Принцип действия турбокомпрессоров для наддува ДВС заключается в следующем — выхлопные газы ДВС, обладая большой скоростью и большой температурой попадают на сопловой аппарат турбины, где происходит их максимальный разгон и подача на рабочие лопатки турбины под правильным углом, при подаче на рабочие лопатки турбины происходит вращение турбины, которая в свою очередь вращает крыльчатку компрессора, насаженную на один вал с колесом турбины. Колесо компрессора представляет собой вращающий направляющий аппарат и крыльчатку, которые чаще всего соединены вместе в одну деталь.

Зачем в двигателях нужен наддув: их виды и принцип работы

Борьба за повышение мощности двигателей велась всегда. Способов её повышения много. Можно увеличить размеры цилиндров, их число и обороты двигателя. Все эти способы приводят к увеличению размеров и массы двигателя, увеличению нагрузок на его детали.

Есть более эффективный способ увеличения мощности двигателя. Идея проста: чем больше молекул кислорода удастся затолкать в цилиндр двигателя, тем больше топлива можно там сжечь и следовательно получить большую мощность без увеличения размеров и веса двигателя. Этот способ называется наддув.

В обычном двигателе горючая смесь подается в цилиндры при давлении меньшем атмосферного. Сказывается наличие помех на пути потока (воздушный фильтр, дроссельная заслонка, повороты и шероховатость стенок впускных каналов). При наддуве давление на входе в цилиндр (перед впускным клапаном) значительно повышается.

Какие виды наддувов применяются на авто

На автомобилях используют два способа наддува: механический наддув и турбонаддув.

Читать еще:  Двигатель 451 уаз технические характеристики

Механический наддув применяется на автомобилях еще с тридцатых годов двадцатого века. Представляет собой компрессор (объемный или центробежный) с приводом через шестерни от коленчатого вала двигателя. Хорошо подает воздух, начиная с минимальных оборотов двигателя. Но для работы компрессора используется мощность двигателя, уменьшая его суммарный КПД.

Объемный компрессор по принципу действия похож на масляный насос с шестернями наружного зацепления: в корпусе вращаются два трехзубых ротора, соединенные между собой.

Механический наддув — компрессор

Центробежный нагнетатель – это колесо с лопастями расположенное внутри корпуса. Воздух поступает по ости колеса, лопастями отбрасывается к стенкам корпуса и через отверстие в нем подается в цилиндры двигателя. Хорошо работает на высоких оборотах, следовательно, привод – через редуктор.

Турбонаддув часто можно встретить на современных автомобилях. Для повышения давления на впуске двигателя используется остаточная энергия выхлопных газов. Агрегат, называемый турбокомпрессором, это турбина и компрессор, насаженные на одну ось.

Турбонаддув — принцип работы

Отработанные газы, подаются на лопатки турбинного колеса и раскручивают его. Следовательно, начинает вращаться компрессорное колесо, подавая воздух в цилиндры двигателя. КПД двигателя растет – полнее используется энергия, полученная при сгорании топлива. Применение турбонаддува позволяет поднять мощность двигателя на 40 – 60%.

О минусах применения турбокомпрессора

Скорость вращения вала турбокомпрессора достигает 200 000 об/мин, что повышает его чувствительность к качеству смазочного масла.

Кроме того, турбокомпрессорам присуще явление, называемое «турбояма». Двигатель с запаздыванием откликается на нажатие педали акселератора. Причина в том, что турбокомпрессору в силу его инерционности, нужно время для увеличения оборотов и повышения подачи воздуха.

Для борьбы с этим недостатком на двигатель устанавливают параллельно два турбокомпрессора, большой и маленький.

Схема двухступенчатого турбонаддува:
1 — охладитель наддувочного воздуха; 2 — перепускной клапан наддува (bypass); 3 — турбокомпрессор ступени высокого давления; 4 — турбокомпрессор ступени низкого давления; 5 — перепускной клапан отработавших газов (wastegate).

Маленький раскручивается быстрее и подаваемого им воздуха хватает до вступления в работу большой турбины. Более эффективный способ – установить на турбину направляющий аппарат, лопасти которого, поворачиваясь, изменяют угол поступления потока выхлопных газов, тем самым регулируют скорость вращения турбины.

Наддув, назначение и способы наддува

Наддув цилиндров двигателей может быть либо динамическим, либо осуществляться при помощи специального нагне­тателя (компрессора).

Различают три системы наддува при помощи нагнетателей: с приводным компрессором, с газотурбокомпрессором и комбиниро­ванную.

Рис. 32. Системы наддува двигателей

Приводной компрессор 1 (рис. 32, а) через повышающую пе­редачу 2 сое-диняют с коленчатым валом 3 двигателя. Для привода газотурбокомпрессора (рис. 32, б) используют энергию отрабо­тавших газов, поступающих в газовую турбину 4. Компрессор 1 ус­танавливают на одном валу с газовой турбиной 4. В случае комби­нированной системы (рис. 32,в) первой ступенью является при­водной компрессор, а второй — газотурбокомпрессор.

На тракторных и автомобильных дизелях, устанавливаемых на строитель-ные и дорожные машины, чаще всего применяют газо­турбинный наддув.

При этом возможны два основных варианта использования энергии:

1. Энергия, потребляемая компрессором, равна энергии, выраба­тываемой газовой турбиной. В этом случае газотурбокомпрессор имеет лишь газовую связь с двигателем (рис. 32, б). Такая схема обеспечивает высокие экономические показатели при максималь­ном упрощении конструкции и поэтому наиболее распространена.

2. Энергия, вырабатываемая газовой турбиной, не равна энер­гии, потреб-ляемой компрессором. Разница энергии передается от двигателя к газотур-бокомпрессору (или наоборот) за счет примене­ния механической связи рото-ра газотурбокомпрессора с коленча­тым валом двигателя, что усложняет кон-струкцию последнего. Та­кую схему применяют при наддуве двухтактных ди-зелей в тех слу­чаях, когда не удается обеспечить баланса энергий газовой турби­ны и компрессора, не ухудшая существенно продувку и наполнение цилиндров. Иногда в этих случаях вместо механической связи ро­тора газотурбокомпрессора с коленчатым валом применяют комби­нированную систему наддува (рис. 32,в).

Возможны два варианта подвода газов к газовой турбине: 1) из общего выпускного трубопровода; 2) отдельно от каждого цилинд­ра или от группы цилиндров, в которой в соответствии с порядком их работы, время между двумя последовательными импульсами давления, образующимися при выпуске газов из цилиндров, оказы­вается достаточно большим (импульсный наддув).

В первом случае, особенно в двигателях с большим числом ци­линдров и высокой частотой вращения, давление газов в выпускном трубопроводе выравнивается, амплитуда колебания давления перед турбиной невелика и процесс подвода газов к турбине можно рас­сматривать, как происходящий при постоянном давлении. Во вто­ром случае отработавшие газы поступают к газовой турбине с пе­ременным давлением, что позволяет повысить эффективность над­дува.

Подвод газов к турбине при постоянном давлении создает повышенные сопротивления в выпускном тракте двигателя по сравне­нию с выпуском в атмосферу. Это ухудшает очистку цилиндров и уменьшает наполнение их свежим зарядом. При импульсном над­дуве после периода выпуска газов из одного цилиндра к началу перекрытия клапанов давление в выпускном тракте резко снижает­ся. В результате этого увеличивается перепад давления между впускным и выпускным трактами, и очистка камер сгорания стано­вится более эффективной. Уменьшается работа, затрачиваемая на выталкивание газов.

Читать еще:  D14z6 что это за двигатель

По мере увеличения давления наддува рк и роста среднего дав­ления газов в выпускном тракте положительный эффект от приме­нения импульсного наддува снижается, так как импульсы давления сглаживаются. Максимальный эффект в импульсной системе надду­ва достигают при рк 0,4 МПа применение им­пульсного наддува уже не дает эффекта.

Следует подчеркнуть, что при определенном сочетании числа и располо-жения цилиндров двигателя для одной объединенной группы цилиндров дав-ление перед турбиной может соответствовать условиям импульсного наддува, а для другой — условиям наддува при постоянном давлении.

В двигателях, устанавливаемых на строительные и дорожные машины, в большинстве случаев применяют импульсные системы наддува. Для дости-жения наибольшего эффекта при импульсном наддуве следует выпускные трубопроводы делать по возможности короткими и меньшего объема.

Основные параметры, характеризующие газотурбокомпрессор: степень повышения давления в компрессоре пк=р’к/р. Применением низкого наддува (до пк= 1,5) можно повысить но­минальную мощность двигателя на 20—30% по сравнению с базо­вой моделью без наддува. Средний наддув (пк=1,5-:-2,2) может обеспечить прирост мощности на 30—45%. Для дальнейшего увели­чения мощности применяют высокий наддув (пк>2,2), что сопряже­но со значительным ростом тепловой и механической напряженнос­ти деталей двигателя.

Частота вращения ротора современных газотурбокомпрессоров составляет 40 000—80 000 об/мин и лимитируется допускаемой ве­личиной окружной скорости диска турбины, которая по условиям прочности не должна превы-шать 250—350 м/с. Кроме этого, по ус­ловиям прочности лимитируется и тем-пература газов перед турби­ной, которая не должна превышать 600—700° С.

Дата добавления: 2015-10-26 ; просмотров: 1895 ;

Турбонаддув — принцип действия, достоинства и недостатки

Статья о том, что такое турбонаддув, как он работает, его основные плюсы и минусы. В конце статьи — видео об особенностях и принципах работы турбонаддува. Статья о том, что такое турбонаддув, как он работает, его основные плюсы и минусы. В конце статьи — видео об особенностях и принципах работы турбонаддува.

Автомобильный двигатель должен обладать такими характеристиками, которые позволили бы ему не отставать от современности. Технические усовершенствования с каждым годом даются все труднее, потому что велосипед-то изобретать никому не хочется, а улучшать качество мотора необходимо.

Поэтому весьма неплохим решением является использование системы принудительного нагнетания воздуха в камеру сгорания. Самые последние инженерные конструкции охватывают не только улучшение принудительного нагнетания воздуха в топливную систему, но и установку такого же устройства в систему выхлопа отработанных газов.

Для чего нужен турбонаддув

Чтобы понимать важность работы турбонаддува и принцип его действия, необходимо знать, что двигатель не может потреблять топливо в чистом виде. Для вспышки бензина в герметичной емкости нужен воздух, иначе двигатель работать не будет.

То есть, в камеру сгорания должна поступать смесь, состоящая из топлива и воздуха в нужной пропорции. В цилиндре эта смесь сгорает. Появившиеся в результате сгорания газы совершают свою главную работу и затем удаляются через систему выхлопа.

Проще говоря, с помощью турбонаддува воздух сжимается, и в камеру сгорания он поступает в большем количестве, нежели при атмосферном давлении.

Устройство и принцип работы турбонагнетателя

Главная деталь нагнетателя, выполняющая основную функцию – это крыльчатка с лопастями. Вращаясь с огромной скоростью (200 тыс. оборотов в минуту) и действуя как компрессор, она закачивает воздух в турбинную камеру.

После этого происходит сжатие воздуха, за счет чего объем, который этот воздух занимает, уменьшается. Однако давно известно, что по законам физики во время сжатия воздух имеет свойство нагреваться. И это является главным недостатком системы турбонаддува.

Разумеется, эта проблема не могла пройти мимо внимания конструкторов. Решая эту задачу, специалисты попробовали использовать промежуточное охлаждение воздуха на пути его перехода в двигатель.

В результате появился интеркулер. В этом устройстве применяется эффект теплообменника, который имеет свойство охлаждать воздух за счет хладагента. Интеркулер способен увеличить мощность мотора до 20%, и при этом он еще снижает вероятность детонации выхлопных газов.

Особой разницы между турбонаддувом бензиновых и дизельных двигателей почти нет. Отличие лишь в степени наддува. Дизельные двигатели требуют большего давления, и поэтому они оснащены более мощными нагнетателями воздуха. В бензиновых моторах установлены нагнетатели меньшей мощности, потому что при слишком большом давлении в камере сгорания может возникнуть детонация.

Читать еще:  Двигатель bfq чип тюнинг

Преимущества турбонаддува

«Дармовая» дополнительная мощность. Существует расхожее мнение: наличие добавочной турбины на выхлопном коллекторе мотора порождает добавочную энергию, которая должна вращать точно такую же турбину на впуске, в результате чего выхлопные газы становятся бесплатным источником энергии для нагнетателя.

Однако эта концепция весьма спорная, потому что существует так называемое сопротивление выпуска. Автомобильные конструкторы многие десятилетия добивались снижения этого сопротивления, потому что именно в этом случае повысится мощность двигателя.

Для этого в систему монтируется специальное генерирующее устройство, которое значительно снижает выходное сопротивление. Поэтому было бы неправильным считать работу турбонаддува на дармовой энергии. «Дешевая придаточная энергия» — это будет звучать более точно.

В техническом отношении этот процесс не представляет ничего сложного. Нагнетатель представляет собой устройство, состоящее из двух колес – компрессорного и турбинного. Турбинное колесо захватывает выхлопные газы, приводящие его в движение. В результате начинает вращаться и компрессорное колесо, которое и служит для сжатия воздуха.

Компрессор в обязательном порядке контактирует с системой охлаждения, потому что в процессе действия его температура поднимается довольно высоко. Сила наддува регулируется с помощью перепускного клапана. В случае необходимости он может переводить часть выхлопа мимо турбины, чтобы понизить внутрисистемное давление.

Повышение мощности двигателя без увеличения его объема и массы. Технология турбонаддува позволяет повышать мощность двигателя без увеличения объема цилиндров и их количества. В результате легкие и небольшие по размеру моторы приобретают отличные характеристики, и, кроме этого, сокращается общая масса автомобиля, уменьшаются тормозной путь и время разгона.

Экономичность. Расход топлива у двигателей, оснащенных системой турбонаддува, в разы меньше, нежели расход топлива у мотора такой же мощности с простым атмосферным нагнетанием воздуха. Это объясняется тем, что в цилиндрах с турбонаддувом на один ход поршня тратится намного меньше топлива за счет полного его сгорания. То есть, бедная смесь компенсируется дополнительным напором воздуха, и в результате мощность увеличивается.

Недостатки

Зависимость от оборотов. «Турбояма». Проблема заключается в следующем: нет активного ускорения при разгоне на малых оборотах. Динамика разгона слабая, уступающая даже машинам с атмосферным нагнетанием. А все дело в том, что при малых оборотах энергия выхлопных газов слабая, и, соответственно, турбина нагнетателя тоже вращается слабо, создавая минимальное давление смеси в камере сгорания. То есть, нужный эффект от турбонаддува возникает только при высоких оборотах двигателя.

Кроме этого, есть еще одна проблема: медленность процесса нагнетания воздуха. Действительно, для того, чтобы создать нужное давление на впуске, необходимо некоторое время. Специалисты проводят инженерные исследования в этой области, и уже в какой-то степени удалось уменьшить этот интервал в динамике работы нагнетателя.

Помимо этого, наличие вариатора или автоматической трансмиссии дает возможность машине во время разгона автоматически переключаться на пониженную передачу. За счет этого вредные последствия от инертности нагнетателя ликвидируются.

Сегодня имеются следующие способы решения проблемы инертности турбонаддува:

    битурбонаддув (двойной наддув);

турбина с адаптивной геометрией;

  • комбинированный наддув.
  • При двойном турбонаддуве применяются две небольшие турбины, которые в совокупности работают намного быстрее, чем одна с номинальным размером. Число цилиндров распределяется между этими турбинами поровну. Аналогом такой системы может быть применение нескольких компрессоров, которые приходят в движение на разных оборотах мотора, каждый в своем режиме.

    Турбина с адаптивной геометрией способна изменять размер впускного канала и тем самым регулировать силу потока выхлопных газов, что также повышает эффективность работы системы.

    Комбинированный наддув состоит из турбокомпрессора и механического нагнетателя. Нагнетатель создает нужное давление на малых оборотах, но как только обороты возрастают до определенной величины, в работу включается турброкомпрессор.

    Высокая температура. Как уже было сказано, сжатие воздуха влечет за собой его нагрев, что отражается на работе мотора не самым лучшим образом. Поэтому зачастую приходится подключать дополнительное охлаждение, и на это уходит часть энергии.

    Однако несмотря на перечисленные недостатки, турбонаддув – это отличное средство для повышения мощности и эффективности ДВС, а также его экономичности. Кроме того, многолетний опыт специалистов показывает, что варианты усовершенствования этой системы еще не исчерпаны.

    Видео об особенностях и принципах работы турбонаддува:

    голоса
    Рейтинг статьи
    Ссылка на основную публикацию
    ВсеИнструменты
    Adblock
    detector