Процессы наддува воздуха в двигателе. Виды. Принцип работы систем

Турбонаддув как средство повышения мощности двигателя использовался в течение долгого времени для дизельных двигателей большого объема стационарного типа, применяемых на морских судах, а также для двигателей грузовых автомобилей. В настоящее время он все шире и шире используется в высокооборотистых дизельных двигателях легковых автомобилей. В противоположность «атмосферным-двигателям, воздух подается в двигатель под давлением. Это увеличивает массу воздуха в цилиндре, позволяя, таким образом, повышенную отдачу мощности для того же самого объема с соответственно повышенным количеством впрыскиваемого топлива.

Чем ниже температура воздуха, тем больше масса воздуха, нагнетаемого в цилиндр (в предположении, что другие условия остались такими же). С этой целью охладитель нагнетаемого воздуха может быть объединен с системой турбонаддува. В этом случае имеется также преимущество и в том, что тепловая нагрузка на камеру цилиндра может быть уменьшена.

Механический наддув

В системе механического наддува нагнетатель (компрессор) приводится в действие непосредственно двигателем. Однако требуемая для привода компрессора мощность уменьшает общую полезную выходную мощность двигателя. Включение и выключение компрессора при необходимости с помощью муфты не только улучшает экономию механической энергии двигателя при частичных нагрузках, но также и увеличивает стоимость агрегата. Дальнейшее развитие компрессоров со спиральным поршнем, который обеспечивает хорошую объемную эффек тивность работы в широком диапазоне оборотов, особенно для двигателей небольшого рабочего объема, можно рассматривать как возможную альтернативу турбонагнетателям (турбокомпрессорам) с приводом от выхлопных газов.

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.

Рис. Турбонагнетатель

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).

Нагнетание волной давления

Рис. Нагнетание волной давления

Одним из вариантов турбонагнетателя является турбокомпрессор с волной давления, известный под обозначением Comprex.

Волны давления от выхлопных газов (4) двигают колесо, ячейки (2) которого, имеющие специальную форму, увеличивают давление потока поступающего воздуха (6). Наиболее важной характеристикой такого турбокомпрессора является прямой обмен энергией между выхлопными газами (9) и нагнетаемым воздухом (8) без непосредственных механических деталей (1 — двигатель, 3 — ременной привод).

В этом случае отсутствуют недостатки, связанные с задержкой отклика турбокомпрессора. Турбокомпрессор с волной давления (Ь) спонтанно реагирует на изменения в нагрузке с увеличением. Оптимальные характеристики крутящего момента, которые невозможны для других процессов наддува, могут быть достигнуты в области нестанционарности с помощью удачной конструкции колеса ячейки.

Недостатком, однако, является пространство, требуемое колесом ячейки и выхлопной трубой на двигателе (особенно, если моторный отсек тесный), а также необходимость произведения регулировки колебаний выхлопных газов для всех нагрузок и оборотов двигателя (4).

Сравнение процессов наддува

Рис. 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.