Сегодня мы узнаем, что называется турбонаддувом двигателя внутреннего сгорания, каков принцип его работы, как он устроен, а также какие преимущества и недостатки имеют системы наддува современных автомобилей
ЧТО ТАКОЕ ТУРБОНАДДУВ. ПРЕИМУЩЕСТВА И НЕДОСТАТКИ СИСТЕМ НАДДУВА ДВИГАТЕЛЕЙ
Добрый день, сегодня мы узнаем, что называется турбонаддувом двигателя внутреннего сгорания, каков принцип его работы, как он устроен, а также какие преимущества и недостатки имеют системы наддува современных автомобилей. Кроме того, расскажем, про основные виды систем наддува двигателей и чем они отличаются друг от друга. В заключении мы наглядно увидим принципиальные схемы функционирования того или иного вида турбонаддува мотора.
Мощность двигателя зависит от количества воздуха и смешанного с ним топлива, которое может быть доставлено в мотор. Если мы хотим увеличить мощность двигателя, необходимо увеличить как количество подаваемого воздуха, так и топлива. Подача большего количества топлива не имеет никакого эффекта до тех пор, пока не будет необходимого для его сгорания количество воздуха, иначе образуется избыток не сгоревшего топлива, что приводит к перегреву двигателя и повышенной непрозрачности или дымности от отработанных выхлопных газов.
1. Понятие и виды систем наддува двигателей внутреннего сгорания автомобиля
Увеличение мощности двигателя может быть достигнуто путем увеличения либо его рабочего объема, либо частоты вращения коленчатого вала. Увеличение смещения увеличивает вес, размеры двигателя и, в конечном счете, его стоимость. Увеличение частоты вращения коленчатого вала проблематично из-за возникших технических проблем, особенно для двигателей с большим объемом.
Технически приемлемым решением проблемы увеличения мощности является использование нагнетателя (компрессора). Это означает, что поступающий в двигатель воздух сжимается перед входом в камеру сгорания. Другими словами, компрессор обеспечивает подачу необходимого количества воздуха, достаточного для полного сгорания увеличенной дозы топлива. Следовательно, при предыдущем рабочем объеме и той же частоте вращения коленчатого вала мы получаем больше мощности.
Существует две основные системы наддува: с механическим приводом, которая отражена ниже на изображении “а” и просто “турбо”, отражена на рисунке “б” (использующие энергию отработавших газов). Кроме того, существуют также комбинированные системы, например, турбокомпаундная, отображена на рисунке “в”. Ниже на изображении можем наглядно видеть, как устроены вышеописанные системы наддува двигателей.
В случае компрессора с механическим приводом необходимое давление воздуха получают благодаря механической связи между коленвалом двигателя и компрессором. Давление воздуха турбокомпрессора достигается за счет вращения потока выхлопных газов турбины. Турбокомпрессор состоит из двух турбин впрыска и привод, соединенный с валом. Вал установлен на двух подшипниках, которые постоянно подается масло, оказывающие охлаждающее и смазочную поддержку.
Обе турбины вращаются в одном направлении и с одинаковой скоростью. Выходящие из цилиндров двигателя отработавшие газы имеют высокую температуру и давление. Они ускоряются до высокой скорости (около 10 000 оборотов в минуту) и соприкасаются с лопастным приводным колесом, и преобразуют свою кинетическую энергию в механическую вращательную энергию (крутящий момент). С такой же скоростью и давлением вращается колесо турбины, которое подает сжатый воздух в двигатель. Разрядное колесо сконструировано таким образом, что уже при небольшом расходе выхлопных газов достигается достаточное давление нагнетаемого воздуха. При полной нагрузке двигатель достигает максимального избыточного давления (от 1,1 до 1,6 атмосфер); при этом обороты двигателя составляют около 2000 оборотов в минуту и остаются постоянными при дальнейшем наборе частоты вращения до максимальной.
Между двигателем и турбокомпрессором имеется соединение только через поток выхлопных газов. Частота вращения турбины напрямую не зависит от скорости вращения коленчатого вала двигателя и характеризуется некоторой инерцией, то есть увеличением подачи топлива, увеличением энергии выхлопного потока, а затем увеличением частоты вращения турбины и напором разряда, а мотор следовательно получает больше воздуха в цилиндры, что позволяет увеличить подачу топлива. Ниже на изображении наглядно отображена принципиальная схема типового турбокомпрессора.
Основные компоненты турбокомпрессора отображенные на рисунке: 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.
2. Современные системы наддува двигателя, их преимущества и недостатки
Для предотвращения нарастания давления более, чем необходимо на высоких оборотах двигателя, в компрессоре находится специальное устройство, состоящее из разгрузочного клапана и диафрагмы с пружиной, которое обеспечивает контроль давления и оборотов мотора. Полость перед мембраной связана с давлением поступающего воздуха через трубопровод. С увеличением давления, которое происходит с нарастанием частоты вращения коленчатого вала, диафрагма сгибается, сжимая пружину опуская и открывая клапан. Выхлопные газы таким образом проходят через дополнительный обводной канал с тем, чтобы снизить скорость вращения приводного колеса турбины, а значит и разгрузочного колеса. Повышение давления становится постоянным.
Для двигателей, работающих в широком диапазоне скоростей (например, в легковом автомобиле), высокое давление наддува желательно даже на низких оборотах. Поэтому будущее принадлежит турбокомпрессорам с регулируемым давлением. Небольшой диаметр современных турбин и специальные сечения газовых каналов способствуют уменьшению инерционности, то есть турбина очень быстро разгоняется, и давление воздуха очень быстро достигает требуемого показателя.
Для удовлетворения все возрастающих требований, которые необходимы для автомобильной техники в областях потребления топлива, выбросов выхлопных газов и шума, сегодня проектируются и разрабатываются электронные системы контроля за наддувом.
На первом этапе, исходя из определенного количества параметров, таких как охлаждающая жидкость, масло, впускной воздух и выхлопные газы анализируется состояние двигателя. Также измеряются обороты двигателя, положение педали акселератора и другие параметры. Все эти данные анализируются компьютером и используются для определения оптимума в условиях давления наддува на мотор.
На втором этапе значение давления передается исполнительным устройствам, контролирующим этот показатель во впускной системе. При определении этого давления также учитываются критические условия работы двигателя, в частности, детонация. Акустические датчики позволяют определить даже самовозгорание в системах мотора. Давление наддува в этом случае уменьшается. Эта операция повторяется до тех пор, пока детонация не исчезнет. Когда детонация остановится, давление наддува снова возрастет до исходного значения. Компьютер также определяет идеальное давление наддува в случае повторяющейся детонации, возникающей, например, из-за использования некачественного топлива.
Электромагнитный клапан получает электрический сигнал, который определяет время его открытия, и работает, соответственно, как специальный регулятор турбины. Таким образом, мембрана действует не на все давление наддува, а только на ее небольшую часть. Данный момент зависит от положения электромагнитного клапана.
При нажатии на педаль акселератора компьютер выдает команду закрыть клапан и все выхлопные газы заходят в турбину, вызывая повышение давления наддува и мотор развивает значительную мощность, что делает возможным быстро ускориться автомобилю. После достижения желаемой скорости сбрасывающий клапан открывается, и давление наддува становится стандартным. Ниже на изображение наглядно отображена схема электронного управления турбонаддувом.
Вариантом системы наддува для двигателей легковых автомобилей является волновой нагнетатель воздуха, также известный, как Comprex. Двигатель, управляемый через зубчатый ремень, делится на секции, ротор вращается в цилиндрическом корпусе с торцами прорезных окон для прохождения свежего воздуха и выхода выхлопных газов. Система окон и полостей выполнена особым образом, что позволяет волнам давления выхлопного потока преобразовать под давлением поток свежего воздуха. Ниже на изображении наглядно отображен волновой нагнетатель системы турбонаддува.
Основные элементы волнового нагнетателя системы наддува двигателя: 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 под низким 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 добиться при помощи других методов наддува.
Нагнетатель волнового типа по сравнению с другими устройствами наддува требует много места для ременной передачи и систем трубопроводов. Это усложняет возможность его установки в подкапотном пространстве автомобиля. Однако для дизельных двигателей используется турбонаддув с изменяемой геометрией турбины, который позволяет ограничить поток выхлопных газов через турбину при высокой частоте вращения коленчатого вала двигателя. Ниже на изображение наглядно продемонстрирован принцип работы волнового турбонаддува.
Основные фазы и компоненты участвующие в работе волнового наддува двигателя: 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 соплового типа изменяют сечение каналов, через которые отработанные газы устремляются на крыльчатку турбины. Они соприкасаются в турбине и происходит выброс газа под давлением с желаемым повышающим коэффициентом. При низкой нагрузке двигателя подвижные лопасти открывают небольшое поперечное сечение каналов, так что повышается давление выхлопа назад. Поток газов в турбине развивается на высокой скорости, обеспечивая высокую скорость вала нагнетателя. Поток выхлопных газов действует на более удаленную от оси вала область лопаток крыльчатки турбины. Таким образом, имеется большая моментная нагрузка на рукоятку, которая увеличивает крутящий момент. При высокой нагрузке направляющие лопатки открывают большее поперечное сечение каналов, что снижает скорость течения потока выхлопных газов. В результате этого турбонагнетатель при равном количестве выхлопных газов меньше ускоряется и работает с меньшей частотой при большем количестве газов. Этот метод ограничивает давление наддува. Поворачивая кольцо управления он изменяет угол наклона лопастей, которое устанавливаются под определенным углом либо непосредственно отдельным рычагом управления, установленным на лопастях, или при помощи поворотных камер. Поворотное кольцо осуществляет управление пневматическим цилиндром под действием вакуума или давления воздуха и в качестве альтернативы, с помощью положения обратной связи двигателя лопастей (датчика положения) их открывает. Открытый нагнетатель с изменением геометрии находится в определенном положении и поэтому безопасен, то есть в случае отказа управления ни он, ни двигатель не повреждаются. Однако могут возникать потери, но только от производительности и при низких частотах вращения коленчатого вала.
Видео: «Что такое турбонаддув. Преимущества и недостатки систем наддува двигателей»
В заключении отметим, что турбонаддув — это определенный вид наддува, при помощи которого воздух в рабочую область цилиндров нагнетается под сильным давлением за счет использования энергии отработанных газов. Турбонаддув используется на бензиновых и дизельных двигателях. Наиболее эффективен в сочетании с дизельным мотором вследствие высокой степени сжатия газов в двигателе и довольно невысокой частоты вращения вала коленчатого типа. Однако сдерживающими факторами использования и применения систем наддува двигателей на бензиновых моторах являются моменты связанные с наступлениями детонаций, которые возникают в связи с резким повышением частоты вращения двс. Кроме того, при работе на высоких температурах с отработанными газами может происходить сильный перегрев системы наддува мотора, что в свою очередь приводит к выходу из строя самой турбины автомобиля.
БОЛЬШОЕ СПАСИБО ЗА ВНИМАНИЕ. ОСТАВЛЯЙТЕ СВОИ КОММЕНТАРИИ, ДЕЛИТЕСЬ С ДРУЗЬЯМИ.
ЖДЕМ ВАШИХ ОТЗЫВОВ И ПРЕДЛОЖЕНИЙ.
ЖДЕМ ВАШИХ ОТЗЫВОВ И ПРЕДЛОЖЕНИЙ.