Что такое наддув двигателей и для чего его применяют

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.

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.

Источник

Что такое турбонаддув и зачем он нужен

Все мы знаем, как «валят» турбированные машины. Но четкого представления, что такое турбина и как она работает, не имеют многие даже бывалые водители. В данной заметке предлагаю разобрать этот вопрос досконально и простым языком. Сначала, как обычно, немного теории. Итак.

Чтобы быстрее ехать, двигателю нужно больше топлива. Однако, «не бензином единым»! 😉 Для эффективной работы любого ДВС, состав смеси в любой момент времени должен быть примерно одинаковым по соотношению воздух/топливо. Конечно, это соотношение для разных моторов и на разных режимах несколько варьируется, но считается, что для среднестатистического двигателя эта цифра составляет 14.7/1. То есть, именно при смешивании 14.7 частей воздуха и 1 части бензина, сгорание будет наиболее полным и, соответственно, эффективным. Такая условно-идеальная смесь называется стехиометрической .

Итак, мы неспешно едем, поршни засасывают в цилиндры необходимое количество воздуха (оно дозируется дроссельной заслонкой), а форсунки впрыскивают долю бензина — соответствующую данному количеству воздуха. Но вот, нам необходимо резко ускориться — мы давим педаль газа в пол. Поршни начинают двигаться всё быстрее, воздуха в каждый такт впуска поступает всё больше, а форсунки льют бензин всё обильнее, чтобы поддерживать идеальное соотношение смеси. И тут — засада. 🙂 После достижения определенных оборотов, воздух уже просто не успевает наполнять цилиндры необходимым объемом до того, как закроются впускные клапаны. Это первый вариант. Или, второй сценарий: воздух-то «зайти» успел, но на эффективность это уже не сильно влияет: для продолжения роста мощности при данном объеме цилиндра, воздуха нужно больше, чем физически может «засосать» из атмосферы поршень на такте впуска.
СпрОсите, почему нельзя просто залить больше топлива ? Можно. Вот только смесь уже будет не стехиометрической (помните?) — а значит, сгорание будет не полным. Расход топлива будет расти, а эффективность — нет.

Читайте также:  Рестайлинговый двигатель что это

Можно пойти по старому-доброму проторенному пути: увеличить рабочий объем двигателя. Воздуха будет поступать больше, а значит — и топлива можно будет сжечь тоже больше. Вырастет мощность. И всё бы хорошо, да вот только минусов у такого решения тоже хватает. Во-первых, это масса двигателя (теряем в экономичности). Во-вторых, это его возросшие габариты и инертность всех движущихся частей (труднее скомпоновать под капотом и тяжелее раскручивать). Ну и куча других факторов: экологичность, объем заправочных жидкостей, удобство обслуживания, и т.п.

А можно просто загнать больше воздуха в цилиндр не меняя его объем. Как? А очень просто — «вдуть» принудительно. 🙂 Вот для этого-то и придумали такую штуку как агрегатный наддув . Иными словами, компрессор (это общее название расхожего понятия «турбина», ибо есть различные варианты её исполнения) — это устройство, которое нагнетает воздух в цилиндры принудительно , создавая увеличенное по сравнению с атмосферным, давление. Кстати, наверняка слышали про «атмосферники»: да-да, это обычные двигатели без наддува, у которых давление поступившего в цилиндры воздуха примерно равняется атмосферному.

Как вы уже догадались, применение компрессора позволяет повысить мощность двигателя не увеличивая его рабочий объем. То есть снова возвращаемся к началу нашего повествования. Загнали больше воздуха в цилиндр — получили возможность «влить» в него больше топлива, не отклоняясь от примерного соотношения 14.7 / 1. Получили более мощный заряд смеси и, как следствие, более мощный её «взрыв» на такте рабочего хода. Мощность увеличилась. Profit!

Как и в любом техпроцессе, здесь есть вагон и маленькая тележка нюансов и вариантов технической реализации данной схемы. Например, компрессор может работать от выхлопных газов (турбокомпрессор), а может приводиться ремнем (механический компрессор). В качестве механизма сжатия воздуха может выступать крыльчатка (центробежный компрессор), а может червячная пара («шнеки Лисхольма»). Может иметь регулируемые лопатки для изменения давления в разных режимах, а может не иметь. И так далее. Описание всех этих тонкостей займёт не одну страницу и не имеет смысла в рамках данного опуса.

Минусы двигателей с наддувом:

  • Как обычно, стоимость. Лишние детали, лишняя электроника, общее усложнение конструкции ДВС.
  • Относительная прихотливость турбины (на сегодняшний день, это наиболее распространенный вид компрессора). Но только относительная, а не те страшные сказки, которые вам нарисуют на форумах. Просто нужно почаще менять масло и лить не абы что, а предусмотренный производителем продукт, не подделанный в подвале.
  • Ресурс. Да, он несколько снижен по сравнению с атмосферными моторами, это факт. Компрессорные моторы в процессе эксплуатации, как ни крути, подвергаются бОльшим нагрузкам, нежели их атмосферные собратья.

А теперь, плюсы:

  • КПД. Основной аргумент. Увеличение мощности по сравнению с безнаддувным мотором такого же объема может достигать 20-50%, и даже больше. Но всегда нужно помнить, что чудес не бывает, и чем выше мощность наддУвного мотора — тем ниже его ресурс.
  • Расход топлива. Здесь, правда, до сих пор не утихают священные войны среди «адептов» двух школ, но современная регулируемая турбина позволяет уверенно ехать на средних оборотах там, где атмосферник вынужден будет крутиться в зоне высоких. А учитывая, что современные турбодвигатели уже сплошь и рядом оснащены непосредственным впрыском — более высокая экономичность становится очевидна даже непросвещенному в технических деталях водителю.
  • Экологичность. Поддержание максимально-стехиометрического состава смеси даже на высоких оборотах, позволяет ей наиболее полно и без лишней «сажи» сгорать в цилиндрах, обеспечивая более чистый выхлоп.

Резюмируя:

На данный момент, турбонаддув стал обыденностью даже на относительно недорогих автомобилях, и продолжает своё внедрение всё ниже по классовой лестнице машин. И несмотря на сниженный ресурс (кого это нынче волнует), более высокую стоимость и сложность, плюсов у данного типа двигателей всё же больше. Так что, друзья: всем бУста и качественного масла! 😉

Источник

Системы наддува двигателя

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.

Читайте также:  Какой двигатель можно поставить на рено симбол


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.

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.

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».

Читайте также:  Как убрать номер двигателя из птс

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.

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.

Источник