Мощность, развиваемая двигателем, зависит от количества воздуха и смешанного с ним топлива, которое может быть подано в двигатель. Если нужно увеличить мощность дви­гателя, следует увеличить как количество подаваемого воздуха, так и топлива. Подача большего количества топлива не даст эффекта до тех пор, пока не появится достаточное для его сгорания количество воздуха, иначе образуется избыток несгоревшего топлива, что приво­дит к перегреву двигателя и повышенной токсичности отработавших газов.

Увеличение мощности двигателя может быть дости­гнуто путем увеличения либо его рабочего объема, либо частоты вращения коленчатого вала. Увеличение рабочего объема увеличивает вес, размеры двигателя и, в конечном итоге, его стоимость. Увеличение частоты вращения коленчатого вала проблематично из-за возникающих при этом технических проблем, особенно для двигателей с большим рабочим объемом.

Технически приемлемым решением проблемы увеличения мощно­сти является использование нагнетателя (компрессора). Это озна­чает, что подающийся в двигатель воздух сжимают перед его впуском в камеру сгорания.

Другими словами, компрессор обеспечивает подачу необходимого количества воздуха, достаточного для полного сгорания увеличенной дозы топлива. Следовательно, при прежнем рабочем объеме и той же частоте вращения коленчатого вала мы получаем большую мощность.

Существует две основные системы наддува: с механическим приводом и «турбо» (использующие энергию отработавших газов). Кроме того, существуют также комбинированные системы, например, турбокомпаундная.

Рис. Системы наддува двигателей:
1 ­– нагнетательное колесо; 2 – привод компрессора; 3 – коленчатый вал; 4 – приводное колесо

В случае компрессора с механическим приводом необходимое давление воздуха получают благодаря механической связи между коленчатым валом двигателя и нагнетательным колесом или компрессором. В турбоком­прессоре давление воздуха получают благодаря вращению турбины потоком отработавших газов.

Турбокомпрессор состоит из двух турбин, состоящих из нагнетательного колеса 2 и приводного 9, связанных между собой при помощи вала. Вал установлен на двух опорах 11 и 12, на которые постоянно подается масло, охлаждающее и смазывающее опоры.

Обе турбины вращаются в одном направле­нии и с одинаковой скоростью. Выходящие из цилиндров двигателя отработавшие газы имеют высокую температуру и давление. Они разгоняются до боль­шой скорости (около 10 000об/мин) и вступают в контакт с лопатками приводного колеса 9, и преобразует их кинетическую энергию в механическую энергию вра­щения (крутящий момент). С такой же скорость вращается и нагнетательное колесо турбины 2, которое подает сжатый воздух к двигателю. Нагнетательное колесо 2 выполнено таким образом, что уже при небольшом потоке отработавших газов достигается достаточное давление нагнетаемого воздуха. В режиме полной нагрузки двигателя достигается максимальное избыточное давление (1,1…1,6 кгс/см2) при частоте вращения коленчатого вала около 2000 об/мин и поддерживается постоянным при дальнейшем наборе частоты вращения вплоть до максимальной.

Рис. Турбокомпрессор:

1 – трубопровод для подачи сжатого воздуха от турбины к диафрагме; 2 – нагнетательное колесо турбины; 3 – корпус нагнетательного колеса; 4 – промежуточный корпус; 5 – сбрасывающий клапан; 6 – диафрагма; 7 – пружина; 8 – диафрагменная камера; 9 – приводное колесо; 10 – корпус турбонагнетателя; 11,12 – опоры; А – подача воздуха от воздушного фильтра; B – подача воздуха к впускным клапаном; C – обводной канал сбрасывающего клапана для ограничения давления нагнетания; D – подача отработавших газов от двигателя; E – подача отработавших газов к выпускной системе; H – подача смазки; J – отвод смазки; K – подача сжатого воздуха для открытия сбрасывающего клапана

Между двигателем и турбокомпрессором существует связь только через поток отработавших газов. Частота вращения турбин напрямую не зависит от частоты вращения коленчатого вала двигателя и характери­зуется некоторой инерционностью, т.е. сначала увеличивается подача топлива, увеличивается энергия потока отработавших газов, а затем уже увеличивается частота вращения турбины и давление нагнетания, и в ци­линдры двигателя поступает еще больше воздуха, что дает возмо­жность увеличить подачу топлива. Этим объясняется повышенная дымность отработавших газов дизельных двигателей с наддувом.

Для предотвращения повышения давления больше необходимого при высоких частотах вращения предусмотрено специальное устройство состоящее из сбрасывающего клапана 5 и диафрагмы 6 с пружиной. Полость перед диафрагмой связана с давлением потока входящего воздуха через трубопровод 1. При увеличении давления, которое происходит с ростом частоты вращении коленчатого вала, диафрагма прогибается сжимая пружины и сбрасывающий клапан открывается. Отработавшие газы при этом проходят через дополнительный обводной канал С, что уменьшает частоту вращения приводного колеса турбины, а значит и нагнетательного колеса. Давление наддува при этом становится постоянным.

Для двигателей, работающих в широком диапазоне частот вращения коленчатого вала (к примеру, в легковом автомобиле), высокое давление наддува жела­тельно даже на низких частотах. Именно поэтому будущее принадле­жит турбокомпрессорам с регулируемым давлением. Небольшой диа­метр современных турбин и специальные сечения газовых каналов способствуют уменьшению инерционности, т.е. турбина очень быстро разгоняется, и давление воздуха очень быстро достигает требуемого значения.

Для удовлетворения постоянно возрастающих требований, кото­рые сегодня предъявляются к автомобильной технике в области рас­хода топлива, токсичности отработавших газов и уровня шума, разрабатываются электронные системы управлением наддувом, одна из которых представлена на рисунке.

На первом этапе, на основании определенного числа параметров, таких как температура охлаждающей жидкости, масла, впускаемого воздуха и отработавших газов, анализируется состояние двигателя. Измеряются также частота вращения коленчатого вала, положение педали акселератора и другие параметры. Все эти данные анализируются электронным блоком управления и используются для определения идеального в данных условиях давле­ния наддува для двигателя.

На втором этапе это значение давления передается на исполнительные устройства, которые регулируют давление во впу­скной системе. При определении этого давления учитываются также критические условия работы двигателя, в частности, детонация. Аку­стические датчики позволяют распознать самовоспламенение, наско­лько малым бы оно ни было. Давление наддува в этом случае пони­жается. Эта операция повторяется до тех пор, пока детонация не ис­чезнет. Когда детонация прекращается, давление наддува снова во­зрастает до первоначального значения. Электронный блок управления также определяет идеальное давление наддува в случае повторяющейся детонации, во­зникающей, например, из-за использования низкокачественного то­плива.

Электромагнитный клапан получает электрический сигнал, кото­рый определяет время его открывания, и работает, соответственно, как регулятор давления наддува.

Таким образом, на мембрану воздействует не все давление над­дува, а только его большая или меньшая часть, которая зависит от положения электромагнитного клапана.

При нажатой педали акселератора электронный блок управления подает команду на закрытие клапана, и все отработавшие газы направляются в турбину, из-за чего давление наддува возрастает и двигатель развивает зна­чительную мощность, что делает возможным резкое ускорение авто­мобиля. Как только желаемая скорость движения достигнута сбрасывающий клапан открывается, и давление наддува становится обычным.

Рис. Электронное управление турбонаддувом:
1 ­– информация о температуре всасываемого сжатого воздуха; 2 — информация о режиме работы двигателя; 3 — информация о температуре охлаждающей жидкости; 4 — информация о давлении во впускном трубопроводе: 5 — информация от датчика детонации; 6 –датчик детонации; 7 – двигатель; 8 – воздух, находящийся под давлением; 9 – заслонка моторного тормоза; 10 – электромагнитный клапан; 11 – воздушный фильтр; 12 — нагнетательное колесо; 13 – приводное колесо; 14 – сбрасывающий клапан; 15 – электронный блок управления

Вариантом системы наддува для двигате­лей легковых автомобилей является вол­новой нагнетатель воздуха, известный также под названием Comprex. Приводи­мый от двигателя через зубчатый ремень 2, разделенный на секции ротор 7 вра­щается в цилиндрическом корпусе, име­ющем с торцов щелевые окна для прохо­да свежего воздуха и выхода отработавших газов. Система окон и полостей выполнена особым об­разом, что позволяет волны давления потока 5 отработавших газов преобразовывать в повы­шенное давление потока 1 свежего воз­духа.

Рис. Волновой нагнетатель:
1 – поток свежего воздуха под высоким давлением; 2 – зубчатый ремень; 3 – поток свежего воздуха под низким давлением; 4 – поршень двигателя; 5 – поток отработавших газов под высоким давлением; 6 – поток отработавших газов низкого давлением; 7 – ротор; 8 – щелевые окна

Существенным достоинством волнового нагнетателя является непосредственный газодинамический энергообмен между отработавшими газами и свежим воздухом без участия каких-либо промежуточных механизмов. Такой энергообмен происходит со звуковой и сверхзвуковой скоростью. Волновой обменник, как и механический нагнета­тель, автоматически реагирует на изме­нения нагрузки изменением давления наддува. При постоянном передаточном отноше­нии между двигателем и волновым нагнетателем энергооб­мен оптимален только для одного рабочего режима. Для устране­ния этого недостатка на торцах корпуса имеется ряд воздуш­ных «карманов» раз­ной формы и размера, благодаря которым диапазон оптималь­ной работы нагнетате­ля расширяется. Кро­ме того, это позволяет достичь благоприят­ного протекания кри­вой крутящего момен­та, чего невозможно осуществить с помо­щью других методов наддува.

Волновой, нагнета­тель, по сравнению с другими способами наддува, требует мно­го места для ремен­ной передачи и систе­мы трубопроводов. Это усложняет возможность его установки в условиях огра­ниченного объема подкапотного про­странства автомобиля.

Для дизельных двигателей находит применение нагнетатель с изменяемой геометрией турбины, позволяющий ограничивать поток отработавших газов через турбину при высокой частоте вращения коленчатого вала двигателя.

Рис. Турбонагнетатель с изменяющейся геометрией турбины:
а – положение направляющих лопаток при высокой скорости потока отработавших газов; б – положение направляющих лопаток при низкой скорости потока отработавших газов; 1 – крыльчатка турбины; 2 – управляющее кольцо; 3 – подвижные направляющие лопатки соплового аппарата; 4 – управляющий рычаг; 5 – управляющий пневматический цилиндр; 6 – поток отработавших газов

Подвижные направляющие лопатки 3 соплового аппарата изменяют попе­речное сечение каналов, через которые отработавшие газы устремляются на крыльчатку турбины. Этим они согласовывают возникаю­щее в турбине давление газа с требуе­мым давлением наддува. При низкой на­грузке на двигатель подвижные лопатки открывают небольшое поперечное сече­ние каналов так, что увеличивается про­тиводавление отработавших газов. Поток газов развивает в турбине высокую скорость, обеспечи­вая высокую частоту вращения вала на­гнетателя. При этом поток отработавших газов дейст­вует на более удаленную от оси вала об­ласть лопаток крыльчатки турбины. Та­ким образом, возникает большее плечо силы, которое дополнительно увеличи­вает крутящий момент. При высокой на­грузке направляющие лопатки открыва­ют большее поперечное сечение кана­лов, что уменьшает скорость течения потока отработавших газов. Вследствие этого турбо­нагнетатель при равном количестве отработавших газов меньше ускоряется и работает с мень­шей частотой при большем количестве газов. Этим способом ограничивается давление наддува. Поворотом управляющего кольца 2 изменяется угол направления лопаток, которые устанавливаются на желаемый угол либо непосредственно отдельным управляющим рычагом 4, укрепленным на лопатках, либо поворотными кулачка­ми. Поворот кольца осуществляется при помощи управляющего пневматического цилиндра 5 под действием разрежения или давления воздуха либо, как вариант, при помощи электродвигателя с обрат­ной связью по положению лопаток (дат­чик положения). Нагнетатель с из­меняемой геометрией в положении покоя открыт и поэтому безопасен, т. е. при от­казе управления ни он сам, ни двигатель не повреждаются. Происходит лишь по­теря производительности на низких час­тотах вращения коленчатого вала.