Система наддува двигателя внутреннего сгорания предназначена. Виды наддува двигателей. Что лучше выбрать механический нагнетатель воздуха или турбокомпрессор

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

Рисунок 1- Виды наддува

Системы наддува можно квалифицировать по:

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

2) конструкции нагнетателя;

3) виду привода нагнетателя;

4) типу связи между наддувочным агрегатом и двигателем.

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

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

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

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

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

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

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

Рисунок 3- Система комбинированного наддува, предложенная Г. Шером

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

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

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

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

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

Привод агрегатов наддува может осуществляться:

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

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

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

Рисунок 5- Приводной нагнетатель типа «Рутс»

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

Рисунок 6- Приводной нагнетатель Линхольма

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

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

Рисунок 7- Приводной центробежный нагнетатель

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

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

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

Рисунок 8- Турбокомпрессор

Одним из наиболее эффективных способов повышения цилиндровой мощности ДВС является наддув. В судовых ДВС с наддувом воздух в цилиндры поступает под определенным давлением, создаваемым в специальных наддувочных агрегатах, установленных на двигателе. За счет увеличения массы заряда воздуха и цикловой подачи топлива достигается значительное повышение цилиндровой мощности и мощности всего ДВС.
Системы наддува состоят из наддувочных агрегатов (компрессоров), воздухоохладителей, распределительных органов и ресиверов. В зависимости от привода компрессоров наддув разделяют на механический, газотурбинный и комбинированный. В ДВС с механическим наддувом центробежный, роторный или поршневой нагнетатель воздуха приводится в действие от коленчатого вала двигателя, на что затрачивается 10 % и более эффективной мощности и снижается экономичность двигателя. Механический наддув применяется в судовых ДВС небольшой мощности.
Схема газотурбинного наддува:

Использование газотурбинного наддува дает возможность повысить мощность двигателя в более широких пределах, чем при механическом наддуве. В этом случае подача воздуха во всасывающий ресивер двигателя осуществляется через воздухоохладитель ВО компрессором К , приводимым во вращение газовой турбиной Т , использующей энергию выхлопных газов. Компрессор и газовая турбина компонуются в один агрегат, который называется газотурбокомпрессором (ГТК). В зависимости от назначения ДВС турбина работает при постоянном или переменном давлении выхлопных газов, средняя температура которых перед турбиной составляет 400 — 450 С. Газотурбинный наддув широко применяется в четырехтактных ДВС, а также в малооборотных двухтактных ДВС с прямоточной клапанной продувкой.
Комбинированный наддув применяется в основном в мощных малооборотных двухтактных ДВС с контурной продувкой, когда мощность газовых турбин недостаточна для привода воздухонагнетателя. При этом одновременно используется газотурбинный и механический наддув. Недостаточная мощность газотурбонагпетателя (ГТН) компенсируется мощностью воздухонагнетателя, приводимого в действие от коленчатого вала ДВС или от электродвигателя. В крейцкопфных ДВС в качестве воздухонагнетателя широко используются подпоршневые полости рабочих цилиндров. Это улучшает маневренность двигателя, так как при малых нагрузках и низкой частоте вращения мощность газовых турбин резко снижается. Подпоршневые воздухонагнетатели при отключенных ГТН обеспечивают работу ДВС и скорость хода судна до 75 % от номинальной. При умеренном наддуве давление воздуха, создаваемого нагнетателем, составляет 0,13—0,15 Ml 1а, при высоком наддуве — 0,17—0,25 МПа и выше.
Для увеличения массы заряда воздуха, поступающего в цилиндр, и снижения тепловой напряженности деталей цилиндро-поршневой группы применяются воздухоохладители, позволяющие повысить мощность двигателя и его экономичность. В судовых ДВС используется несколько типов воздухоохладителей: с круглыми трубками без оребрения; с плоскими оребренными трубками и др.

Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже

Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Введение

2. Виды наддува

3. Преимущества и недостатки различных видов наддува

4. Пределы повышения мощности путем наддува

Используемая литература

Введение

Одним из актуальных вопросов современного мирового и отечественного автомобильного и тракторного двигателестроения является вопрос производства в России эффективных и надежных турбокомпрессоров, не- обходимых для выпуска двигателей, удовлетворяющих экологическим требованиям Евро-3 и выше.

В 90-е годы сформировалась и полностью апробирована ведущими мировыми производителями и разработчиками дизельных двигателей концепция о том, что система турбонаддува является неотъемлемым компонентом современного экологически чистого двигателя. При этом турбо- наддув, в отличие от 70-80-х годов, перестал рассматриваться как средство форсирования двигателей и практически 100% современных базовых моделей проектируются и разрабатываются только с наддувом. Экологические приоритеты при разработке в настоящее время дизелей являются определяющими, а требования по выполнению все время ужесточающихся норм приводят к пересмотру уже утвердившихся подходов к разработке двигателей, а также систем и агрегатов наддува. Изменения эти происходят во всем мире очень динамично и устоявшиеся в течение десятилетий подходы рушатся на наших глазах при переходе от норм Евро-2 к Евро-3, а перспективные требования по экологии на 10-15 лет вперед резко активизировали исследования по созданию и оптимизации систем и агрегатов наддува.

наддув двигатель агрегатный мощность

1. Наддув

Наддув -- увеличение количества свежего заряда горючей смеси, подаваемой в двигатель внутреннего сгорания, за счёт повышения давления при впуске. Наддув обычно применяют с целью повышения мощности (на 20-45 %) без увеличения массы и габаритов двигателя, а также для компенсации падения мощности в условиях высокогорья. Наддув с «качественным регулированием» может применяться для снижения токсичности и дымности отработавших газов. Агрегатный наддув осуществляется с помощью компрессора, турбокомпрессора или комбинированно. Наибольшее распространение получил наддув с помощью турбокомпрессора, для привода которого используется энергия отработавших газов.

Агрегатный наддув применяют почти на всех видах транспортных дизелей (судовых, тепловозных, тракторных). Наддув на карбюраторных двигателях ограничивается возникновением детонации. К основным недостаткам агрегатного наддува относят:

· повышение механической и тепловой напряжённости двигателя вследствие увеличения давления и температуры газов;

· снижение экономичности;

· усложнение конструкции.

Всё большее распространение на транспортных двигателях внутреннего сгорания получает динамический наддув, который при несущественных изменениях в конструкции трубопроводов приводит к повышению коэффициента наполнения до в широком диапазоне изменения частоты вращения двигателя. Увеличение при наддуве позволяет форсировать дизель по энергетическим показателям в случае одновременного увеличения цикловой подачи топлива или улучшить экономические показатели при сохранении мощностных (при той же цикловой подаче топлива). Динамический наддув повышает долговечность деталей цилиндро-поршневой группы благодаря более низким тепловым режимам при работе на бедных смесях.

2. Виды наддува

Рисунок 1- Виды наддува

Системы наддува можно квалифицировать по:

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

2) конструкции нагнетателя;

3) виду привода нагнетателя;

4) типу связи между наддувочным агрегатом и двигателем.

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

Рисунок 3- Система комбинированного наддува, предложенная Г. Шером

Привод агрегатов наддува может осуществляться:

1) от коленчатого вала ДВС прямо или через отключаемое устройство («приводные нагнетатели»);

2) от постороннего источника энергии, например, так называемый «е-привод» - от электродвигателя («электроподдерживаемый наддув»);

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

Рисунок 5- Приводной нагнетатель типа «Рутс»

Рисунок 6- Приводной нагнетатель Линхольма

Рисунок 7- Приводной центробежный нагнетатель

Рисунок 8- Турбокомпрессор

3. Преимущества и недостатки различных видов наддува

Наддув приводными объемными нагнетателями обеспечивает быстрое реагирование на изменение скоростного режима двигателя.

Недостатки способа -- большие механические потери на малых нагрузках, сравнительно большие размеры и масса агрегатов наддува, наличие механической передачи, зачастую сложность размещения на двигателе. В значительной мере это относится и к центробежным приводным нагнетателям. Для наиболее рационального использования приводных объемных нагнетателей необходимо устройство, обеспечивающее отключение их от двигателя при малых нагрузках, когда нет необходимости в наддуве. Кроме того, механические нагнетатели снижают к.п.д. двигателя, т.к. на их привод расходуется часть мощности силового агрегата.

К достоинствам объемного нагнетателя типа «Рутс» относятся высокая эффективность на малых и средних оборотах, долговечность конструкции и низкий шум. Однако, при достижении определенного давления воздух начинает просачиваться назад, снижая к.п.д. системы.

Винтовые нагнетатели типа «Лисхольм» эффективны практически во всем диапазоне оборотов двигателя, компактны, бесшумны, но очень сложны в изготовлении, следовательно, дороги.

Волновые обменники «Компрекс» хотя и обеспечивают быстрое реагирование на изменение режима ДВС, не способны развивать высокие давления наддува, громоздки, требуют механического привода.

Наиболее удачным оказался газотурбинный наддув в широком диапазоне размеров ДВС от мотоциклетных до судовых мощностью в десятки тысяч киловатт. Преимущества этого вида наддува: более полное использование энергии топлива за счет расширения полезной площади термодинамического цикла, автоматическая подстройка (хотя и не всегда достаточная для транспортных двигателей) к изменению режима работы ДВС, сравнительно малые размеры и масса, относительная свобода размещения на двигателе. Недостатки турбонаддува - ухудшение приемистости двигателя -- в значительной мере нивелируются применением специальных мер регулирования давления наддува, уменьшением инерции вращающихся частей турбокомпрессоров.

4. Пределы повышения мощности путем наддува

Уменьшение теплоиспользования и механического к. п. д. приводит к тому, что мощность увеличивается медленнее, чем давление наддува"; в частности, при переходе от питания без наддува к питанию с наддувом 2 ата мощность увеличивается не вдвое, а приблизительно на 80%.

Отсюда возникает вопрос, каков целесообразный предел повышения давления наддува и не наступит ли такой момент, когда улучшение наполнения окажется не в состоянии компенсировать затрату мощности на нагнетатель и ухудшение теплоиспользования.

Результаты аналитического исследования этой проблемы подтверждают такие опасения и могут быть представлены графически (рис. 77).

Кривая р е дает изменение среднего эффективного давления в зависимости от давления наддува, отложенного по оси абсцисс, без учета затраты мощности на привод нагнетателя. Кривая р ек изображает часть среднего эффективного давления, затрачиваемого на привод; нагнетателя, также в зависимости от давления: наддува. Как видно по графику, рост р ек вначале отстает от роста р е, а при дальнейшем увеличении давления наддува разрыв между этими величинами быстро уменьшается. Чтобы получить среднее эффективное давление, соответствующее эффективной мощности двигателя, достаточно отнять от ординат кривой р е ординаты кривой р ек. Тогда получим кривую р е. изменения среднего эффективного давления двигателя в зависимости от давления наддува. Точкой перегиба а определяется наивыгоднейшее давление наддува -- около 5 ата, при котором среднееэффективное давление и мощность достигают максимума. График рис. 77 построен из расчета сохранения конечного давления сжатия равным 16,7 am при4 различных давлениях наддува; это соответствует степени сжатия е = 7,5 для двигателя без наддува. Повышенным давлениям наддува соответствуют уменьшенные степени сжатия; для критического давления наддува 5 атм степень сжатия е = 2,3. Кроме конечного давления сжатия, в основу графика положены еще другие конкретные данные. Поэтому нельзя считать 5 атм наивыгоднейшим давлением наддува для всех типов двигателей. Точные вычисления критического давления наддува вообще едва ли возможны, так как весьма трудно» учесть все условия работы машины, свойства топлива и тем более конструктивные особенности двигателя. Поэтому рис. 77 приводится только для того, чтобы показать существование предела увеличения мощности двигателя, снабженного приводным нагнетателем. В настоящее время применяются более низкие давления наддува по сравнению с предельным; значением, полученным на графике.

Следует заметить, что даже если не учитывать потерю мощности на привод нагнетателя, мощность двигателя все же не будет повышаться безгранично, так как чем сильнее сжимают горючую смесь в нагнетателе, тем меньшую степень сжатия можно использовать в двигателе при определенной детонационной стойкости топлива и, следовательно, в предельном случае все сжатие смеси происходит в нагнетателе, а степень сжатия (и степень: расширения) двигателя равна единице; при этом мощность двигателя равна нулю.

Таким образом, улучшение наполнения при наддуве компенсирует ухудшение термического к. п. д. и затрату мощности на нагнетатель только до некоторого значения давления наддува.

Вывод

Итак: цель наддува ДВС -- повышение его удельной (отнесенной к единице рабочего объема цилиндров, массы, габаритов) мощности за счет увеличения подачи топлива и соответственно требуемой для его сгорания массы воздуха. Увеличение удельной мощности ДВС позволяет сохранить его размеры и массу, стоимость, а также размеры и массу транспортного средства, на котором установлен двигатель, увеличить грузоподъемность, скорость.

Наддув ДВС с искровым зажиганием, как правило, с охлаждением наддувочного воздуха, повышает удельную мощность ДВС и улучшает динамические качества автомобиля.

В ряде стран автомобили с двигателями с наддувом и малым рабочим объемом цилиндров облагаются меньшими налогами. Увеличение коэффициента избытка воздуха при наддуве дизелей (особенно с охлаждением наддувочного воздуха) позволяет повысить эффективный к.п.д. (снизить удельный расход топлива) двигателя, а главное - уменьшить вредные выбросы с отработавшими газами.

Газотурбинный наддув уменьшает шум выпуска.

Использованная литература

1.Б.Н. Давыдков В.Н. Каминский Системы и агрегаты наддува транспортных двигателей- учебное пособие Москва 2011 год

2. wikipedia.org/wiki/Наддув

Размещено на Allbest.ru

...

Подобные документы

Улучшение топливных, энергетических и ресурсных показателей автотракторных двигателей. Характеристика дизеля Д-245, обоснование системы наддува. Определение индикаторных и эффективных показателей двигателя. Схема и режимы работы системы наддува дизеля.

дипломная работа , добавлен 18.11.2011

Выбор давления наддува и схемы воздухоснабжения дизеля. Процесс наполнения цилиндра. Цикл Миллера. Расчетное среднее индикаторное давление. Эффективные показатели работы двигателя. Определение мощности агрегатов наддува. Кривошипно-шатунный механизм.

курсовая работа , добавлен 06.01.2017

Общая характеристика и принцип работы системы наддува отработанных газов дизеля М-756, его устройство и основные элементы. Порядок разборки, ремонта и сборки турбокомпрессора, впускных и выпускных коллекторов. Техника безопасности при проведении работ.

курсовая работа , добавлен 19.05.2009

Общая характеристика судовых двигателей внутреннего сгорания, описание конструкции и технические данные двигателя L21/31. Расчет рабочего цикла и процесса газообмена, особенности системы наддува. Детальное изучение топливной аппаратуры судовых двигателей.

курсовая работа , добавлен 26.03.2011

Особенности электростартерного пуска, его стадии, факторы влияния, устройства облегчения. Анализ внутрицилиндровых процессов. Расчеты ожидаемых параметров по температуре конца сжатия. Функциональная схема и принцип работы пускового наддува, его описание.

дипломная работа , добавлен 23.03.2012

Общие сведения о наддуве в дизельных двигателях. Контроль и диагностика процессов воздухоснабжения. Характеристика газотурбинного наддува четырехтактного дизеля. Регулировки, неисправности дизельных двигателей с турбонаддувом и способы их устранения.

курсовая работа , добавлен 01.09.2012

Общие принципы работы тепловозных дизелей. Идеальный цикл Карно. Схемы устройства, принципов работы и индикаторные диаграммы четырехтактного дизеля. Дизельное топливо и варианты наддува цилиндров. Состав сырой нефти. Схема роторного нагнетателя воздуха.

курсовая работа , добавлен 27.07.2013

Обоснование основных размеров D и S и числа цилиндров и дизеля. Расчет процесса наполнения, сгорания, сжатия и расширения. Расчет систем наддува и процесса газообмена. Индикаторные и эффективные показатели дизеля. Выбор числа и типа турбокомпрессора.

курсовая работа , добавлен 25.03.2011

История вопроса и пути совершенствования методов прямого сжигания твердых топлив в поршневых двигателях внутреннего сгорания. Теоретические аспекты выгорания твердого топлива в рабочем пространстве двигателя при его сжигании объемным и слоевым способом.

книга , добавлен 17.04.2010

Способы увеличения мощности двигателя: форсирование, увеличение степени сжатия и повышение момента двигателя за счет сдвига пика максимального давления. Переделка дизеля, для создания бензинового двигателя внутреннего сгорания с непосредственным впрыском.

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:

Благодаря применению наддува можно поднять мощность силовой установки, источника энергии без дорогостоящих модернизаций.
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.
Благодаря наддуву можно снизить расход топлива, вообще стоимость расходов на эксплуатацию установок.
Благодаря турбонаддуву снижается шум выхлопа, т. к. турбина сама является хорошим глушителем шума.
Благодаря наддуву можно решить проблемы, связанные с эксплуатацией установок в высокогорных условиях.
Двигатели с наддувом позволяют применять более дешёвые, нетрадиционные топлива.
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:

Roots
Lysholm (механический нагнетатель)
Центробежный (турбина)

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

Roots

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

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

Устройство и работа нагнетателя Roots

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

Lysholm

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

Нагнетатель типа Lysholm, другое название - винтовой.

Основным недостатком этого наддува является высокая стоимость изготовления.

Центробежный тип

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

Центробежный нагнетатель с газотурбинным приводом

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

Типы привода, их достоинства и недостатки

Вторая проблема – привод нагнетателя, а он может быть:

Механическим
Газотурбинным
Электрическим

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Электронагнетатель от фирмы Valeo

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

Иные проблемы

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

К ним относится:

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

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

Варианты исполнения систем наддува

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

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

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

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

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

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

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

Клапан blow-off

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

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

Autoleek