Наддув двигателей

Сравнение процессов наддува

Подобно механическим нагнетателям (с), нагнетатели (компрессоры) с волной давления имеют хорошие характеристики отклика и обеспечивают быстрый рост крутящего момента (3) при разгоне. Однако, по состоянию на настоящее время, оптимизированный турбокомпрессор с приводом от выхлопных газов (а) является, вероятно, лучшим компромиссом по критерию работоспособности и цены.

Крутящий момент и мощность двигателя зависят, помимо прочего, от среднего давления в цилиндре (среднее давление поршней или рабочее давление (компрессия)). Средние величины компрессии для дизельных двигателей малого рабочего объема с турбонаддувом (1) соответствуют этим значением для двигателей с искровым зажиганием (бензиновых) без наддува (2) и в некоторых случаях даже превышают их.

В дизельных двигателях большего рабочего объема дальнейшее увеличение среднего давления достигается путем повышения уровня наддува и уменьшения компрессии, хотя результатом этого могут стать затруднения при запуске холодного двигателя. В отношении выходной мощности на 1 литр рабочего объема двигателя дизельные двигатели уступают бензиновым двигателям из-за их меньших максимальных оборотов. Однако современные дизельные двигатели для легковых автомобилей достигают максимальных оборотов до значений 5000 об/мин.

Можно ли установить турбину на обычный мотор?

Можно!
Только вот переделка будет не всегда оправдана экономически, судите сами —
кроме правильно подобранной турбины вам придется приобрести и сделать очень много действий.

Допустим, вы решили, что не будете менять поршневую группу в моторе, не будете усиливать блок ДВС, но свечи зажигания поменять придется — ведь старые рассчитаны на совсем другой режим работы. Так же придется поменять форсунки на более производительные. Замена форсунок повлечет замену бензонасоса, на более производительный.

Новые режимы работы двигателя потребуют полной модернизации его программы управления. Так, что «мозги» придется прошивать.
Датчик расхода воздуха на таких режимах долго не живет, его нужно заменить на датчик абсолютного давления (ДАД), причем рассчитанный на избыточное давление.

Необходимо определиться с системой охлаждения турбины — будет ли она только масляной или комбинированной масло + ОЖ. Соответственно надо врезать и протянуть новые масломагистрали (а может и патрубки ОЖ).
Для прокачивания масла по выросшей в объеме маслосистеме нужен более производительный маслонасос.

Впускной и выпускной коллектор придется поменять на такие, которые рассчитаны на работу с турбокомпрессором.

А еще придется ездить на более высокооктановом бензине, более хорошем масле и чаще его менять.
Стоит ли овчинка выделки?

Виды по способу создания давления

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

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

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

1. Roots
2. Lysholm (механический нагнетатель)
3. Центробежный (турбина)

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

Roots

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

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

Устройство и работа нагнетателя Roots

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

Lysholm

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

Нагнетатель типа Lysholm, другое название — винтовой.

Основным недостатком этого наддува является высокая стоимость изготовления.

Центробежный тип

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

Центробежный нагнетатель с газотурбинным приводом

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

Турботаймер

Турботаймер — это электронное устройство, помогающее увеличить срок работы автотурбины. Иными словами, он является специальным контроллером, который заглушает двигатель через время после удаления ключа зажигания из замка. Все это время агрегат работает на холостом обороте. Турботаймер устанавливают под торпедо и подключают к замку зажигания.

Турботаймер дает возможность турбине остывать в условиях повышенной температуры. Охлаждение происходит с помощью машинного масла. Если двигатель перестает функционировать, то подача смазки-охладителя останавливается. Это все приводит к тому, что детали выходят из строя.

Автолюбители, которые постоянно эксплуатируют турбированные моторы на больших оборотах, сначала заставляют турбину работать вхолостую, и только потом выключают зажигание. Турбина остывает самостоятельно, но если использовать турботаймер, то сидеть и ждать в машине охлаждения не потребуется. Можно вытащить ключ из замка, а затем электроника сама заглушит мотор.

Если человек оставит турботаймер работающим, а сам покинет салон, то другой человек не сможет угнать машину. Устройство блокирует управление. Если человек захочет уехать на автомобиле, то сработает сигнализация.

Типы привода, их достоинства и недостатки

Вторая проблема – привод нагнетателя, а он может быть:

1. Механическим
2. Газотурбинным
3. Электрическим

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Электронагнетатель от фирмы Valeo

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

Наддув двигателя: улучшение эффективности и мощности

Наддув двигателя является одним из методов улучшения эффективности и мощности двигателей внутреннего сгорания. Он основан на принципе увеличения количества воздуха, подаваемого в цилиндр двигателя, что в свою очередь позволяет увеличить количество горючей смеси и, следовательно, увеличить мощность двигателя.

Одним из основных компонентов системы наддува является турбокомпрессор, который приводится в движение отработанными газами от двигателя. Турбокомпрессор сжимает воздух с помощью высокоскоростного вращения компрессорного колеса и подает его в цилиндры двигателя через систему наддувочных трубок.

Преимущества наддува двигателя:

• Увеличение мощности: наддув позволяет увеличить количество горючей смеси в цилиндре, что приводит к повышенной мощности двигателя. Это особенно полезно для автомобилей заднеприводной трансмиссией и большой массой.
• Улучшение эффективности: наддув позволяет увеличить степень сжатия воздуха в цилиндре, что улучшает эффективность сгорания и экономичность двигателя.
• Увеличение крутящего момента: наддув увеличивает крутящий момент двигателя на низких оборотах, что улучшает управляемость автомобиля.
• Возможность использования меньших двигателей: благодаря увеличению мощности и крутящего момента, наддув позволяет использовать меньшие двигатели, что приводит к уменьшению веса и улучшению экономичности автомобиля.

Наддув двигателя является одним из самых эффективных способов улучшения мощности и эффективности, который широко применяется в автомобильной и других отраслях промышленности.

Турбонаддув с использованием отработавших газов

В системах турбонаддува с использованием отработавших газов некоторая часть энергии отработавших газов преобразуется в механи­ческую энергию, необходимую для привода нагнетателя при помощи турбины (турбонаг­нетателя отработавших газов). Таким образом, этот процесс использует некоторую часть энтальпии, которая на безнаддувных двигателях остается неиспользованной. Однако эти си­стемы вызывают увеличение противодавле­ния отработавших газов. Для сжатия воздуха в таких системах используются исключительно гидрокинетические компрессоры.

Рис. «Сравнение кривых мощности и крутящего момента двигателей без наддува и с турбонаддувом»

Пример HTML-страницы

Турбонагнетатели отработавших газов обычно применяются для создания высокого давления наддува даже при низких частотах вращения коленчатого вала двигателя. Другими словами, турбина турбонагнетателя рассчитана на среднюю частоту вращения. При этом следует учитывать, что при высоких частотах вращения давление наддува может возрастать до уров­ней, которые вызовут чрезмерные нагрузки на двигатель. Поэтому турбина снабжается пере­пускным клапаном, который при определенной частоте вращения начинает пропускать часть потока отработавших газов мимо турбины. При этом энергия этих отработавших газов остается неиспользованной. Значительно более удовлет­ворительные результаты (т.е. высокое давление наддува в нижнем диапазоне оборотов и в то же время возможность избежать перегрузки в верхнем диапазоне) могут быть получены при использовании турбонагнетателя с изменяемой геометрией турбины (VTG). В этих системах за счет изменения положения направляющих ло­паток осуществляется регулирование сечения потока и угла атаки рабочих лопаток (и, таким образом, давления отработавших газов, посту­пающих на турбину) (см. «Турбо­нагнетатели»).

Преимущества турбонаддува с использованием отработавших газов:

• Значительное увеличение выходной мощ­ности на литр рабочего объема;
• Значительное снижение расхода топлива по сравнению с двигателями без наддува равной мощности;
• Снижение содержания токсичных продук­тов в отработавших газах;
• Сравнительно небольшой занимаемый объем;
• Может быть использован совместно с си­стемами рециркуляции отработавших га­зов низкого давления.

Недостатки турбонаддува с использованием отработавших газов:

• Установка турбокомпрессора в тракте с «горячими» отработавшими газами требует применения термостойких материалов;
• Повышенная тепловая инерция в системе выпуска отработавших газов;
• Без принятия дополнительных мер сравни­тельно низкий пусковой крутящий момент в случае установки на двигателях с малым рабочим объемом.

Специальные виды турбонаддува

Пример HTML-страницы

В электрифицированных системах турбонаддува используется дополнительный электродвигатель, приводящий во вращение турбонагнетатель при отсутствии потока отработавших газов. Преиму­щество такой системы заключается в обеспече­нии турбонаддува в переходных режимах работы двигателя и при низких частотах вращения. Эти системы пока что не нашли применения в серий­ном производстве автомобилей ввиду их большой сложности и высокой потребляемой электриче­ской мощности. Применение электрифицирован­ных систем турбонаддува позволит значительно уменьшить занимаемый системой объем.

Еще один специальный вид турбонаддува — системы турбонаддува с использованием энер­гии волн сжатия, которые пока что не нашли применения в серийном производстве. Принцип действия основан на отражении волн сжатия во вращающемся секционном роторе (см. «Нагне­татели и турбонагнетатели»). Основным преи­муществом является очень высокое быстродей­ствие, обеспечивающее быстрое нарастание крутящего момента в переходных режимах. Од­нако применение таких систем связано с высо­кими затратами, а необходимость в отдельном приводе создает проблему нахождения соответ­ствующего свободного пространства.

Турбонагнетатель с приводом от выхлопных газов

Большое количество энергии теряется с выхлопными газами двигателя. Очевидным решением является использование этой энергии для создания давления во впускном коллекторе с помощью компрессора, приводимого в действие турбиной от выхлопных газов. Обе турбины движутся совместно в турбонагнетателе. Форма турбины (2) и компрессора (1) могут быть подобраны так, чтобы обеспечить эффективность и, таким образом, высокий уровень нагнетания для стационарной работы с постоянным числом оборотов. Однако, для автомобильных двигателей, где требуется высокий крутящий момент для разгона на низких оборотах, конструкция будет довольно сложной. Низкая температура выхлопных газов вместе с небольшим количеством газов и необходимость разгона самого турбокомпрессора задерживает рост давления в компрессоре в начале разгона. Этот симптом называется «турбопровалом» для автомобильных двигателей с турбонаддувом.

Турбонагнетатели, которые благодаря собственной низкой массе, регулируют даже на малые потоки выхлопных газов, были разработаны специально для использования на легковых и небольших грузовых автомобилях. Их приемистость, в частности в диапазоне низких оборотов, заметно улучшается при использовании таких турбонагнетателей.

Чтобы ограничить давление наддува и защитить турбокомпрессор, поток выхлопных газов (6) к турбине должен быть ограничен при высоких нагрузках и оборотах двигателя. Заслонка (4) открывается с помощью максимального давления нагнетаемого воздуха и отводит часть выхлопных газов в выхлопную трубу через байпасный (перепускной) канал (3).

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.

Рис. 1. Турбонагнетатель Эберспехер для наддува малых двигателей

Этот турбонагнетатель производства фирмы Эберспехер предназначен для наддува малых дизелей и имеет два входных канала в турбину для возможности лучшего использования импульсов давления в выпускном трубопроводе. Турбина в данном случае центростремительная, т. е. отработавшие газы поступают к колесу турбины снаружи и движутся по направлению к центру и выходят вдоль оси турбины. На рисунке хорошо видны направляющие лопатки для организации потока отработавших газов перед входом в колесо турбины.

Компрессор — центробежный. Засасываемый воздух поступает к колесу компрессора в центре и выходит под воздействием центробежных сил от периферии колеса в безлопаточный диффузор. Изображенный на рисунке турбокомпрессор предназначен для установки на двигатель мощностью 110 кВт (150 л. с.) и весит порядка 16 кг. Максимальная частота вращения вала турбонагнетателя в зависимости от его размеров может составлять от 50000 до 100000 об/мин.

Решение вопроса турбонаддува бензиновых двигателей связано с более сложными проблемами, чем наддув дизелей. При высоких частотах вращения турбонагнетатель подает слишком много воздуха, что ведет к слишком крутой внешней характеристике двигателя. В дизелях мощность при высоких частотах вращения ограничивается дозировкой топлива и двигатель работает с большим избытком воздуха. В бензиновых двигателях, где компрессор нагнетает в цилиндры уже готовую топливовоздушную смесь, регулировка мощности изменением качественного состава смеси невозможна, потому что слишком бедная смесь может просто не воспламениться, а при подаче смеси нормального качественного состава возникает необходимость снижения давления и температуры газов в камере сгорания во избежание возникновения детонации. Поэтому для снижения температуры газов в камере сгорания иногда применяют рециркуляцию части сжатой смеси на входе в компрессор, что позволяет регулировать давление наддува.

Интересный способ подачи воздуха в цилиндры двигателя применен на двигателе с воздушным охлаждением модели Шевроле Корве. Эта фирма одна из первых внедрила в серийное производство турбонаддув бензиновых двигателей. В рассматриваемом двигателе компрессор спроектирован таким образом, чтобы, начиная с определенного режима, соответствующего максимальному крутящему моменту двигателя, производительность компрессора искусственно ограничивалась, тем самым предотвращая увеличение давления наддува. Однако это снижение эффективности компрессора приводит к увеличению удельного расхода топлива. Но учитывая, что автомобиль редко использует максимальную мощность, это увеличение удельного расхода топлива не приводит к значительному увеличению среднего расхода топлива.

Поперечное сечение турбокомпрессора производства фирмы Томпсон для двигателя Корве показано на рис. 2.