Виды наддува двигателя

Процессы наддува

Мощность двигателя пропорциональна массовому расходу воздуха, который, в свою очередь, пропорционален плотности воздуха. Рабочий объем и частота вращения коленчатого вала двигателя могут быть увеличены за счет предварительного сжатия воздуха перед поступлением его в цилиндры двигателя, т.е. путем так называемого наддува. Коэффициент наддува соответствует увеличению плотности нагнетаемого воздуха по сравнению с атмосферным давлением (в двигателях без наддува воздух поступает под атмосферным давлением).

С точки зрения термодинамики наилучшие результаты могли бы быть получены в процессе изотермического сжатия, однако это технически недостижимо. На практике оптимальным процессом является адиабатическое сжатие; при этом увеличение плотности воздуха сопровождается потерями.

Коэффициент наддува в бензиновых двигателях ограничивается возникновением детонации, а в дизельных двигателях — максимально допустимым пиковым давлением в цилиндре. Поэтому двигатели с наддувом обычно имеют более низкие степени сжатия, чем двигатели без наддува той же мощности.

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.

Выбор пасты

Выбор абразивных паст для притирки в современных магазинах может повергнуть в шок любого водителя-новичка. О цене речь не пойдёт, поскольку выбор по данному параметру полностью зависит от возможностей и личных предпочтений покупателя. Такие факторы, как состав и зернистость более важные, поэтому их и стоит рассмотреть:

Новичкам лучше отказаться от использования крупнозернистых паст, иначе малейшая оплошность приведёт к дефектам седла и фаски. Средний уровень зернистости предпочтителен, если речь идёт об основной обработке, а мелкая зернистость нужна для шлифовки.
Зачастую комплектация предполагает наличие двух ёмкостей с пастами с составами разной зернистости.
Если вы не позаботились о покупке пасты, можно приготовить её самостоятельно. Для этого подберите наждачную бумагу с минимальным уровнем зернистости и снимите абразив, смешайте полученный порошок со смазочным материалом. Пасту ГОИ используйте на завершающем этапе для финишной обработки поверхности. Смешивать её стоит так же, как и в случае с порошком абразива. Сразу стоит упомянуть о том, что качество притирки будет на порядок ниже, чем при использовании магазинных абразивов.

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.

Немного о китайских электротурбинах

Ни для кого не секрет, что недорогие запчасти и агрегаты преимущественно азиатского производства не всегда могут похвастать достойным качеством. Это особенно касается как обычных, так и электрических турбин. Дело в том, что недобросовестные производители экономят на материалах . Так, например, горячая часть обычного турбокомпрессора должна быть изготовлена из чугуна, легированного молибденом, хромом или же никелем. У азиатских производителей не всегда относятся серьезно к подбору материалов. В случае электротурбин особенно высоки требования к качеству электрической «начинки» агрегата. Но и это не все проблемы. Как правило они страдают от следующего:

Плохая балансировка и несоответствие изделия допускам;
Несоблюдение геометрии;
Децентрализация производства: подшипники изготавливает одна фирма, корпуса – другая. Никто не отвечает за качество своей работы.

Ассортимент китайских электротурбин очень широк. По заверению продавцов, автолюбитель может купить агергат, который можно смело ставить сразу перед воздушным фильтром. Однако именно такие турбины должны быть оснащены электрическим двигателем мощность до 4 КВт. На деле их мощность меньше, да и питать такой приемник автомобильный генератор не сможет. Здесь также стоит учитывать факт «лотерейного» качества самого изделия – одна турбина может проработать долго, другая же, напротив, выйдет из строя очень быстро.

Резюмируя, отметим, что установка недорогой китайской электротурбины является весьма доступным вариантом тюнинга двигателя

Однако автолюбителям важно понимать, что результат такого тюнинга может оказаться плачевным. В лучшем случае такую турбину придется снять

Кстати, с ее установкой наверняка возникнут проблемы. Если же вы решились на эксперимент, то покупайте только изделие, характеристики которого продавец сможет привести: диапазон работы крыльчатки, сила тока, напряжение, диапазон давления , напряжение линейного управления. Часто в продаже можно найти турбины, характеристики которых вовсе не приводятся – мы категорически не советуем покупать их.

Динамический наддув

На процессы газообмена оказывает влияние не только установка фаз газораспределения, но и геометрия впускных и выпускных каналов. Движение поршня на такте всасывания при открытии впускного клапана создает волну всасывания, которая отражается от открытого конца впускного трубопровода и возвращается к впускному клапану в виде волны давления. Эти волны давления могут быть использованы Для увеличения массового расхода воздуха на впуске. Кроме геометрии впускного трубопровода интенсивность этого эффекта наддува, основанного на газодинамике, также зависит от величины оборотов двигателя.

Инерционный наддув

В системах инерционного наддува каждый цилиндр снабжен отдельным впускным каналом определенной длины, обычно соединяющимся с общей камерой. По этим впускным каналам волны давления могут распространяться независимо друг от друга (рис. «Принцип инерционного наддува» ). Длины отдельных впускных каналов адаптированы к установке фаз газораспределения таким образом, чтобы в желаемом диапазоне оборотов двигателя за счет волны давления, проходящей через открытый впускной клапан, достигалось увеличение массы заряда.

В то время как длина каналов должна быть адаптирована к диапазону оборотов двигателя, диаметры каналов должны быть согласованы с рабочим объемом цилиндра. В системе впуска, показанной на рисунке «Принцип изменения геометрии впускного трубопровода«, возможно переключение между двумя системами каналов различной длины. Переключающий клапан или заслонка закрывается в нижнем диапазоне оборотов двигателя, и всасываемый воздух поступает в цилиндры через более длинные впускные трубопроводы. При высоких оборотах переключающий клапан открыт, и воздух поступает через короткий впускной трубопровод.

Наддув с использованием специально настроенных впускных каналов (резонансный наддув)

При определенных оборотах двигателя возникает резонанс колебаний газа во впускном трубопроводе, вызванных возвратно поступательным движением поршня, что создает дополнительный эффект наддува.

При таком варианте наддува короткие трубопроводы соединяют группы цилиндров двигателя с резонансными ресиверами с такими же интервалами, как промежутки между вспышками в цилиндрах (рис. «Принцип наддува с использованием специально настроенных впускных каналов» ).

Эти ресиверы сообщаются с атмосферой или общей камерой посредством специально отрегулированных трубок и резонаторов Гельмгольца. Длина и диаметр трубопроводов определяются диапазоном оборотов двигателя, в котором должен возникать эффект дополнительного резонансного наддува (рис. «Повышение коэффициента наполнения цилиндра зарядом при помощи динамического наддува» ).

Впускные трубопроводы с изменяемой геометрией

Поскольку эффект динамического наддува зависит от режима работы (величины оборотов) двигателя, изменяемая геометрия впускного трубопровода позволяет получить практически идеальную кривую крутящего момента. Регулируемые системы могут быть реализованы посредством изменения длины впускных каналов за счет переключения между системами каналов различной длины или диаметра, попеременного перекрытия отдельных каналов в системах с несколькими наборами впускных каналов или переключения между различными впускными объемами. Эти переключения могут осуществляться электрическими или электропневматическими клапанами или заслонками.

Динамический наддув (скоростной или пассивный наддув)

Система динамического наддува (также называемого скоростным или пассивным наддувом) увеличивает давление на впуске двигателя. Рост давления во впускном коллекторе достигается за счет воздухозаборников особой формы, которые при увеличении скорости движения начинают буквально загонять воздух в двигатель.

Заметный эффект от пассивного наддува начинает проявляться при больших скоростях движения (более 150 км/ч), поэтому на обычных автомобильных двигателях система динамического наддува встречается крайне редко, но иногда применяется на спортивных мотоциклах и автомобилях, а также широко используется для наддува поршневых авиационных двигателей. Нередко пассивный наддув объединяют с другими видами наддува, делая воздухозаборник соответствующей формы.

На «тюнингованных» автомобилях часто выводят впускной тракт на капот или в решетку радиатора, т. е. в зону максимального давления, чем имитируют систему динамического наддува (ниже на рисунке приведена подобная система). Почему имитируют? Потому что пассивный наддув, как уже было написано выше, начинает работать только на высоких скоростях. Также при подобном «тюнинге» ставят «фильтр нулевого сопротивления», который плохо справляется с очисткой поступающего воздуха, что приводит к усиленному износу двигателя.

Динамический наддув

«Тюнинг». Впускной тракт выведен вместо фары.

«Инерционный» наддув

Разновидность динамического наддува. Внутри патрубка системы установлена крыльчатка, благодаря инертности (поэтому некоторые и наывают такой наддув «инерционным») вращения которой возникает завихрение поступающего воздуха, что обеспечивает его максимально быстрое проникновение в камеры сгорания и более полное их наполнение топливо-воздушной смесью. В общем, ерунда полная, на которую ведутся горе-тюнеры.

Преимуществом динамического наддува является то, что это самый дешевый способ относительно остальных.

Последнее обновление 15.11.2012Опубликовано 22.08.2010

Сноски

По другим данным он запатентовал сам принцип использования наддува на автомобиле.
О нагнетателе «TVS» на сайте компании «Eaton».
Описание работы системы «Comprex» дано по книге Мацкерле Ю. «Современный экономичный автомобиль» (книга есть в ).

Все материалы, представленные на данном сайте, защищены законодательством в области авторского права.
Смотрите публикация Ваших материалов, условия перепечатки материалов, соблюдение авторских прав.Дизайн и поддержка – Владимир Егоров, icarbio.ru 2010-2014 .

Способы повышения мощности двигателя

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 двигателя внутреннего сгорания, но долгое время их на автотранспорте не использовали. Зато наддувы достаточно широко использовались в авиации и на кораблях.

Диаграмма объемного расхода

Картина зависимости работы нагнетателя от характеристик двигателя наглядно иллюстрируется диаграммой «давление-объемный расход» (рис. «Графики зависимости степени повышения давления в нагнетателе от объемного расхода для объемного нагнетателя с принудительным приводом и турбокомпрессора» ), на которой степень повышения давления в нагнетателе π_с соотносится с объемным расходом V.

Особенно иллюстративны графики для недросселированных четырехтактных двигателей (дизельных), поскольку они содержат наклонные прямые линии (характеристики массового расхода двигателей), которые отражают возрастание объемного расхода воздуха по мере того, как степень повышения давления

π_с = р₂/р₁

где:

р₁— давление наружного воздуха

р₂ — давление наддува; возрастает при постоянной частоте вращения двигателя.

Диаграмма демонстрирует степень повышения давления при постоянных частотах вращения нагнетателя для нагнетателя с принудительным приводом и турбокомпрессора.

Только механические нагнетатели, у которых производительность пропорциональна их частоте вращения, пригодны для двигателей автомобилей. Это нагнетатели с принудительным приводом конструкции Roots. Турбокомпрессоры с механическим приводом непригодны.

Преимущества и недостатки механических нагнетателей

Механические нагнетатели до сих пор находят применение, хотя из автопромышленности их исключили. Такую конструкцию считают устаревшей, несмотря даже на то, что она лишена турболага – задержке в увеличении мощности при резком наборе скорости автомобилем. Недостатки механических нагнетателей таковы:

Низкая производительность;
Высокая шумность работы (относительно тихие нагнетатели слишком сложны в производстве);
Большие габариты.

Ключевыми моментами все-таки принято считать производительность и габариты. Механический нагнетатель имеет не самый высокий КПД , при том что занимает довольно много места под капотом (хотя и здесь многое зависит от конструкции). Тем не менее, достоинства у механических нагнетателей есть. В их числе:

Уже упомянутое отсутствие турболага (турбоямы);
Возможность повысить мощность ДВС на 5-10%;
Отсутствие сильного нагрева (решается применение интеркулера);
Почти неограниченный эксплуатационный ресурс;
Высокая надежность.

Кроме того, нагнетатели почти не нуждаются в обслуживании. Опять же, исключением могут стать специфические конструкции, которые встречаются довольно редко. Данный агрегат по своей сути является самым простым решением для реализации наддува двигателя. Так как инженеры гонятся за увеличением топливной экономичности двигателей, нагнетатели в принципе не могли остаться актуальными. Их почти окончательно перестали использовать еще в конце 90-х годов. На замену нагнетателям пришли турбокомпрессоры.

Что представляет собой электротурбина

Применение турбин, использующих энергию потока выхлопных газов, еще не так давно казалось инновационным решением в области форсирования двигателей внутреннего сгорания. Однако практика успела показать, что и у турбин есть недостатки. В теории, их можно было решить за счет использования электрического привода. Вот о каких проблемах идет речь:

Эффект турболага (турбоямы);
Высокие требования к качеству охлаждения;
Высокие требования к качеству смазочных материалов; их расход;
Небольшой эксплуатационный ресурс.

Впервые оснастить турбину электрическим приводом решили инженеры концернов Mercedes-Benz , Audi и BMW . Проще говоря, они сделали из турбины своеобразный вентилятор, который создавал давление от 0,5 атмосфер и выше. Согласно имеющейся информации, им удалось создать турбину, нагнетающую до 5 атмосфер! При правильных настройках подачи топлива инженерам удалось увеличить мощность силового агрегата на феноменальные 20-30%. Кроме того, электротурбина может работать на разных оборотах в зависимости от режима работы двигателя.

В силу высоких затрат энергии электротурбину обычно ставят совместно с обычной турбиной, как и было указано в предыдущем разделе. Такая система достаточно надежна, хорошо показывает себя на разных оборотах и практически не страдает от эффекта турболага. Высокое потребление электроэнергии пока не позволяет использовать такую турбину как основную – здесь требуется серьезный подход к изменению бортовой системы генератор-приемник бортовой автомобиля.

Прочие типы нагнетателей

В 80-х годах прошлого столетия компания «Volkswagen» экспериментировала с
довольно необычными спиральными нагнетателями. В автомобильном применении они
более известны как «G-Lader». Сейчас это направление компанией VW свернуто. Идея
спирального одноосевого нагнетателя также очень стара. В 1905 году изобретатель
Леон Креукс подал заявку на патент. Первоначально предусмотренный в качестве
паровой машины, такой нагнетатель имел два спиральных витка, расположенных один
в другом. В течение десятилетий он совершенствовался и, в конце концов,
превратился из первоначальной четырехструйной машины в восьмиструйную, которая
была оснащена двумя камерами — внутренней и внешней — по обеим сторонам с углом
разворота 180 градусов относительно друг друга. Но тогда о массовом производстве
таких нагнетателей можно было только мечтать, потому что в то время еще
отсутствовали соответствующее технологии и оборудование. Сложность производства
заключалась также в том, что изготовление деталей должно было быть максимально
точным, так как любое отклонение в структуре или качестве поверхности могло
привести к значительному снижению КПД. Поэтому в качестве нагнетательного
аппарата для автомобильного двигателя спиральный нагнетатель стал использоваться
очень поздно. С середины восьмидесятых до 1992 года его серийно использовал лишь
«Volkswagen» в моделях «Polo», «Corrado», «Golf» и «Passat». Однако ряд фирм
(преимущественно немецких) продолжают производить такие компрессоры и сегодня.

Также спиральный нагнетатель имеет важные преимущества: высокий КПД (75,9% у
прототипов) и низкий уровень шума, хорошее уплотнение (благодаря чему наличие
давления наддува проявлялось уже на малых оборотах) и малые потери на трение.

Поршневые нагнетатели, самая распространенная схема обычных воздушных
компрессоров в настоящее время, в автомобилях не прижились совсем. А вот на
судовых моторах они использовались достаточно широко. Интересен метод нагнетания
подпоршневым насосом. Здесь в качестве нагнетателя используется сам поршень,
который при движении к НМТ (нижняя мертвая точка) выталкивает находящийся под
ним воздух.

Схема шиберного нагнетателя

Следует упомянуть незаслуженно забытые в автомобилестроение шиберные, или
лопастные, нагнетатели. Это довольно простые по конструкции и принципу действия
машины. Цилиндрический корпус имеет два отверстия, как правило, растянутые во
всю длину цилиндра и находящимися на одной его стороне, т. е. не строго друг
против друга. Внутри корпуса находится ротор диаметром примерно в три четверти
от внутреннего диаметра корпуса. Ротор смещен к одной из сторон корпуса,
примерно посредине отверстий. В роторе несколько продольных канавок, в которых
находятся шиберы (лопатки). При вращении ротора благодаря заложенному
конструкцией эксцентриситету и шиберам, выдвигающимся за счет центробежных сил,
воздух сперва всасывается в одну из долей, образованных парой соседних лопаток,
а затем сжимается до момента подхода к выпускному отверстию.

Будучи качественно изготовленными, такие компрессоры нагнетали довольно
большое давление. В сравнении с рутс-компрессорами они обладали более высоким
КПД, меньше пропускали воздуха, практически не нагревали его и были менее
шумными. Да и мощности двигателя они отнимали меньше. Хорошо сконструированный
шиберный нагнетатель может быть на 50% более производительным, нежели
рутс-компрессор. В силу своей конструкции самой большой проблемой шиберных машин
были высокие фрикционные нагрузки между шиберами и корпусом. По мере износа КПД
компрессора заметно падал из-за увеличения протечек воздуха. В связи с этой
проблемой шиберные компрессоры делали низкооборотными, но довольно габаритными.
Это стало практически непреодолимой проблемой, и шиберные компрессоры были
забыты. В настоящее время появляются новые материалы и технологии, которые
делают вновь востребованными старые технические решения и конструкции.

Вывод

Системы наддува двигателя – настоящее благо как для автолюбителей, так и экологии. Благодаря им мощный транспорт стал более дешевым и экономичным. Хоть изначально наддув начали применять для улучшения мощностных параметров двигателей, сегодня он видится многим автоконцернам как решение экологических проблем. Наиболее распространенным агрегатом, с помощью которого можно реализовать наддув двигателя, является турбокомпрессор. Он имеет впечатляющий коэффициент полезного действия и отличается простотой в обслуживании. Однако у турбин есть много интересных особенностей, которые мы рассмотрим в следующем материале цикла «Полезные советы» на АвтоПро.