27Апр

Динамический наддув двигателя: Почему никто не использует динамический наддув?

Содержание

Турбо надув без турбины! | Клуб Volkswagen Поло седан

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,

Лично я настоятельно рекомендую использовать "пассивный, скоростной" наддув, внешний забор воздуха.
Т.е. делать воздухозаборник на пути набегающего потока воздуха.

1) По некоторым измерениям получалось, что давление набегающего потока воздуха при скорости 100 Км\ч может достигать 4 дюйма воды=1,0 кПа= 0,01 Бар (атмосфер).

http://autospeed.com/cms....le.html

Здесь в результате экспериментов получали 1 kPa (0.145 psi) в разных частях корпуса при превышении следующих скоростей:

Нижняя часть переднего бампера 85 km/h
Радиаторная решетка (середина) 110 km/h
Поверхность фар 110 km/h
Лобовое стекло, центр 145 km/h
Лобовое стекло, края 150 km/h

Зависимость давления от скорости нелинейна. Измерения показали, что давление выросло плавно со скоростью - от 0,4 дюйма со скоростью 60 км / ч, до 3 дюймов воды в 120 км / до 10 дюймов воды в 150 км / час.
10 дюймов воды = примерно 2,5 кПа = 0,024 Бар (данные http://www. autospeed.com/A_110360/cms/article.html )

Это позволяет как минимум компенсировать часть потерь в тракте воздухоподачи.

У большинства машин средние потери давления воздуха перед заслонкой достигают 7кПа (25-30 дюймов водяного столба)
При неудачном заводском расположении воздухозабора можно не только не получать повышения давления от набегающего воздуха с ростом скорости, но и получать разряжение - т.е. эффект разряжения.

Особенно плохо обстоят дела при расположении воздухозаборника под крылом, низ лобового стекла, края фар.

Давление водяного столба в дюймах при скорости 60км\ч:
(по данным http://www.autospeed.com/A_110360/cms/article.html )

Середина переднего номерного +0.55
Зона противотуманок +0.40
Ведущие края передней юбки +0.30
Середина между фарами +0.20
Середина значок Lexus на решетке +0.20
База лобового стекла +0.10
Ниже перед поворотником на бампер + 0.05 - 0.1
Передние колесные арки -0.10
Наружный край фар -0,45
Низ ветрового стекла -0.60

2) Внешний забор воздуха устраняет такую проблему, как забор тёплого воздуха после прогрева двигателя.
Каждое повышение температуры воздуха на 10 Градусов уменьшает его плотность на 3% - значит на 3% уменьшается мощность.
Многие, наверное, на тех двигателях с забором воздуха из подкапотного пространства, замечали - как хорошо едет машина "на холодную" и как начинает подтупливать после прогрева. Особенно летом.

Стоит заметить, что многие производители уже встроили такую систему забора воздуха в стоковые версии.

Пример:

Мерседес-600 в 140м кузове.
Lexus LS400
Passat - значок W на его морде - это отверстие воздухозаборника
и т.д.

Примеры переделок:

http://autospeed.com/cms....le.html
Mazda MX5 Miata улучшение на трассе и на стенде дало около 5%.

P.S. Камнями не кидайте не пинайте просто мысли в слух и личный опыт

 

Динамический наддув

Величина крутящего момента двигателя приблизительно пропорциональна содер­жанию свежей смеси в заряде цилиндров. Это означает, что максимальный крутящий момент может быть в некоторой степени увеличен сжатием воздуха перед поступле­нием его в цилиндры. На процессы газообмена влияют не только фазы газораспределения, но также конс­трукция трубопроводов(каналов) впуска и выпуска. Работа поршня на такте впуска при открытом впускном клапане вызывает обратную волну давления. На открытом конце впускного коллектора волна давле­ния встречается с неподвижным воздухом окружающей среды, отражается от него и снова направляется к впускному клапану. Возникающие в результате колебания дав­ления у впускного клапана могут быть ис­пользованы для увеличения свежего воз­душного заряда и, следовательно, достиже­ния максимально возможного крутящего момента.

Такой эффект наддува определяется дина­мической характеристикой воздуха на впуске. Во впускном коллекторе динамичес­кий эффект зависит от геометрических со­отношений и частоты вращения двигателя.

Для равномерного распределения топливовоздушной смеси впускные коллекторы карбюраторных двигателей и двигателей с одноточечным впрыском топлива (TBI) должны иметь короткие впускные пат­рубки, которые, насколько это возможно, должны быть одинаковой длины для всех цилиндров. В системах многоточечного впрыска (MPI) топливо впрыскивается или во впускной коллектор вблизи впускного клапана, или непосредственно в камеру сгорания (непосредственный впрыск бен­зина). В системах многоточечного впрыска, поскольку во впускном коллекторе дви­жется только воздух, и на его стенках прак­тически не оседает топливо, обеспечива­ется широкий диапазон конструктивных решений для впускного коллектора. По этой причине в системах многоточечного впрыска отсутствуют проблемы с равно­мерным распределением топлива.

Инерционный наддув

Впускные коллекторы в системах многото­чечного впрыска топлива включают в себя индивидуальные впускные патрубки и об­щую камеру (ресивер).

Рис.7

1-Цилиндр 2-Индивидуаль­ный впускной патрубок 3-Камера впуск­ного коллектора

4-Дроссельная заслонка

 

В случае инерционного наддува (рис. 7) каждый цилиндр имеет свой собственный пусковой патрубок 2 определенной длины который обычно соединяется с камерой впускного коллектора 3. В такой конструк­ции волны сжатия могут независимо рас­пространяться по индивидуальным впуск­ным патрубкам.

Эффект наддува зависит от геометрии впускного коллектора и частоты вращения двигателя. По этой причине длина и диа­метр индивидуальных впускных патрубков согласуются с фазами газораспределения таким образом, чтобы в данном диапазоне частоты вращения волна давления, отра­жённая на конце патрубка, могла входить в цилиндр 1 через открытый впускной кла­пан, обеспечивая тем самым лучшее напол­нение цилиндра.

Длинные и узкие впуск­ные патрубки дают заметный эффект над­дува на низкой частоте вращения. С другой стороны, короткие, большого диаметра впускные патрубки, обеспечивают улучше­ние характеристики крутящего момента при высоких значениях частоты вращения двигателя.

Резонансный наддув

При определённой частоте вращения дви­гателя возвратно-поступательное движе­ние поршня вызывает резонансные коле­бания воздушного столба во впускном кол­лекторе, что приводит к повышению давления и дополнительному эффекту над­дува. При настройке впускной системы (рис. 9) группы цилиндров 1 с одинако­выми углами опережения зажигания и ко­роткими патрубками 2 соединяются с резонансными камерами 3, которые в свою оче­редь через настроенные впускные патрубки 4 соединяются или с атмосферой, или с ка­мерой 5 впускного коллектора. В резуль­тате они действуют как резонаторы Гельм-гольца.

 

Рис.8

1-Цилиндры 2-Короткий впуск­ной патрубок 3-Резонансная камера 4-Резонансный впускной патрубок 5-Камера впуск­ного коллектора 6-Дроссельная заслонка

А -Группа цилиндров А, В-Группа цилиндров В

Подразделение на две группы цилиндров, каждая из которых со своей настройкой впускных патрубков, предотвращает пере­крытие потоков двух соседних по порядку работы (зажигания) цилиндров. Длина настроенных (резонансных) впуск­ных патрубков и объём резонансной ка­меры являются функциями диапазона час­тоты вращения, в котором эффект резо­нансного наддува должен быть максимальным. Однако эффект аккумули­рования в камерах с большими объёмами, которые иногда требуются, в некоторых случаях при резких изменениях нагрузки может приводить к динамическим сбоям.


Узнать еще:

Индукционный наддув - Ногинский автоклуб Insanity

Во-первых, разберёмся в сущности понятия «наддув». Приставка «над» в этом слове означает «сверх». Понимать следует как возникновение подачи дополнительного количества воздуха (топливовоздушной смеси) сверх нормы.Индукционный наддув применяют для того, чтобы повысить значение коэффициента наполнения Кн цилиндров топливовоздушной смесью в определённом диапазоне оборотов и, следовательно, при правильной настройке системы питания(!), повысить значение среднего эффективного давления Ре и, соответственно, крутящего момента Ме и мощности двигателя Nе. 

Итак, различают множество видов наддувов:

  • Инерционный (пассивный) – давление в тракте создаётся при помощи набегающего потока воздуха. Применяется совместно с воздушным фильтром нулевого сопротивления, сглаживающим завихрения воздушного потока (так называемый, «индукционный» воздушный фильтр). На передней части автомобиля в зоне максимального уплотнения воздуха располагают воздухозаборники. Данный вид наддува эффективен только на очень высоких скоростях при условии герметичности воздуховодов. Минусы: очень быстро засоряется воздушный фильтр; существует некоторая особенность, связанная с настройкой системы питания (в первую очередь, карбюраторной): нужно обеспечить, чтобы система питания выдавала оптимальный состав топливо-воздушной смеси в одном и том же диапазоне оборотов на разных передачах. Например, давление воздуха при движении на первой и пятой передачах на 4000 об/мин будет разным, кроме того, давление на той же пятой передаче зависит от силы и направления ветра относительно вектора движения автомобиля, следовательно, потребуются различные настройки системы питания.

  • «Волновой» — повышение коэффициента наполнения достигается за счёт создания перепада давления между открытыми впускным и выпускным клапанами в фазе продувки за счёт использования волновых эффектов, возникающих при импульсном движении топливовоздушной смеси (отработавших газов) по впускным и выпускным трубам. Эффективен в очень узком диапазоне оборотов. Достигается за счёт совместной настройки выпускного и впускного коллекторов (особенно на инжекторных моторах), фаз газораспределения и др. Отсюда и достаточно высокая стоимость. Здесь стоит также упомянуть о таком понятии, как газодинамический наддув. Возникает такой эффект, когда поршень после такта впуска проходит нижнюю мёртвую точку и начинает двигаться вверх при открытом впускном клапане. Угол поворота коленчатого вала от нижней мёртвой точки до момента закрытия впускного клапана называется углом газодинамического наддува и зависит от настройки фаз газораспределения. Эффект встречного движения топливовоздушной смеси и поршня после нижней мёртвой точки объясняется тем, что воздух имеет конечную массу и обладает инерцией, которая, в свою очередь, тем выше, чем выше скорость потока, т.е. обороты.

  • Электрический нагнетатель – простой и дешёвый вариант наддува для бюджетного автомобиля. Не очень эффективен, что связано с требованием к большим габаритам мощного электромотора, работающего от постоянного напряжения 12 В. Кроме того, при включении такого наддува настроенный под обычные условия карбюратор перестаёт выдавать правильный состав топливовоздушной смеси (происходит её обеднение), что «сводит на нет» весь положительный эффект. Инжекторных моторов проблема касается в меньшей степени, что связано с наличием в системе датчика массового расхода воздуха при работе в пределах калибровок программы управления. Что касается карбюратора, можно рассмотреть вариант решения проблемы за счёт частичного перекрывания воздушных каналов главной дозирующей системы электромагнитными клапанами.

  • Механический нагнетатель – серьёзный вариант, может существенно повысить коэффициент наполнения в широком диапазоне оборотов. Часто применяется в профессиональном тюнинге. Влечёт за собой: усиление шатунно-поршневой группы, понижение степени сжатия (шаг, призванный уменьшить детонацию), изменение настроек системы питания. Минус – отнимает часть мощности двигателя за счёт приложения усилия, необходимого для вращения крыльчаток компрессора, к коленчатому валу. Стоимость профессиональных комплектов достигает нескольких тысяч долларов.

  • Турбонагнетатель – турбина раскручивается исходящим потоком выхлопных газов (частота вращения до 70…200 тыс. об./мин.), причём чем выше его температура, тем эффективней её работа. Комплект, помимо нагнетателя, клапанов, деталей системы топливоподачи и оригинальных деталей кривошипно-шатунного механизма, включает в себя оригинальный выпускной (а также, как правило, и впускной) коллектор. Стоимость ещё выше, чем в предыдущем варианте. Минусы – отбирает часть мощности двигателя за счёт возрастания противодавления на выпуске; на многих вариантах не решена проблема «турбоямы» — на низких оборотах при резком открывании дроссельной заслонки турбина не успевает раскрутиться и подать достаточное количество воздуха, что приводит к провалу при разгоне; турбомотор капризен в эксплуатации и требует особого обращения, что связано с тяжёлыми условиями работы подшипников турбонагнетателя.

Понравилась статья? Поделись:

О двигателе внутреннего сгорания : Кафедра ДВС : АлтГТУ

Весьма скромный по габаритам, малютка в сравнении с такими монстрами энергетики, как гидравлические, тепловые и атомные станции, но далеко не простой по конструкции, впитавший в себя все лучшие мировые достижения в технологиях, материалах, нефтехимии, гидравлики, электротехники и электроники, двигатель внутреннего сгорания обеспечивает более 90% от суммарного объема мощности всех установленных энергетических агрегатов мира.

На первый взгляд, это феномен, так как мощность единичного ДВС относительно невысокая: от десятой доли киловатта до десятков тысяч. Но никакого феномена нет. Двигатель весьма востребован в деятельности человека и берет фантастическими объемами, массовостью производства. Он всюду — где человек, там и он. На земле и под землей, на воде и под водой, в околоземном пространстве и в космосе. Нет сферы деятельности человека, где бы не использовался ДВС, и в этом его первая особенность.

Вторая особенность в том, что именно ДВС, осуществляя энергообеспечение машин и механизмов, на которые он устанавливается, главным образом и обеспечивает качество и прогресс в развитии этой техники. Легендарный танк Т-34 времен Великой Отечественной войны стал эталоном боевых машин благодаря установленному на нем дизелю Д-12, производство которого осуществлялось и на барнаульском заводе «Трансмаш». Современный легковой автомобиль стал таким, какой он есть: экономичным, надежным, комфортным, безопасным, динамичным, эргономичным благодаря значительным успехам, достигнутым в конце прошлого и начале нынешнего столетия в развитии двигателестроения. Газотурбинный регулируемый и динамический наддув, непосредственный впрыск бензина, многоклапанные системы газораспределения с изменяемыми фазами, рециркуляция отработавших газов, электронные системы управления, гибридные двигатели (ДВС + электрическая машина)  — вот далеко не полный перечень мероприятий, которые позволили современному ДВС обеспечить жесткие требования ЕВРО по удельной мощности и вредным выбросам, по расходу топлива и масла, приемистости, экономичности мобильных машин. Шестьдесят киловатт мощности с литра объема цилиндра дизеля (в бензиновых еще выше), менее четырех литров топлива на 100 км пробега, разгон до 100 км/час менее чем за 5 секунд. 

Но это не предел — эволюционное развитие двигателя продолжается. Впереди новые задачи, среди них — расширение создания гибридных двигателей, использование водорода как топлива, адаптация двигателя к работе на биологическом топливе и др.

Вы, нынешние абитуриенты, а затем студенты — бакалавры и магистры, будете их решать и решите, ведь прогресс в энергетике остановить невозможно.

ТУРБОНАДДУВ

 

 Задача повышения мощности и крутящего момента двигателя была актуальна всегда. Мощность двигателя напрямую связана с рабочим объемом цилиндров и количеством подаваемой в них топливо-воздушной смеси. Т.е., чем больше в цилиндрах сгорает топлива, тем более высокую мощность развивает силовой агрегат. Однако самое простое решение - повысить мощность двигателя путем увеличения его рабочего объема приводит к увеличению габаритов и массы конструкции. Количество подаваемой рабочей смеси можно поднять за счет увеличения оборотов коленчатого вала (другими словами, реализовать в цилиндрах за единицу времени большее число рабочих циклов), но при этом возникнут серьезные проблемы, связанные с ростом сил инерции и резким увеличением механических нагрузок на детали силового агрегата, что приведет к снижению ресурса мотора. Наиболее действенным способом в этой ситуации является наддув.

Представим себе такт впуска двигателя внутреннего сгорания: мотор в это время работает как насос, к тому же весьма неэффективный - на пути воздуха находится воздушный фильтр, изгибы впускных каналов, в бензиновых моторах - еще и дроссельная заслонка. Все это, безусловно, снижает наполнение цилиндра. Ну а что требуется, чтобы его повысить? Поднять давление перед впускным клапаном - тогда воздуха в цилиндре "поместится" больше. При наддуве улучшается наполнение цилиндров свежим зарядом, что позволяет сжигать в цилиндрах большее количество топлива и получать за счет этого более высокую агрегатную мощность двигателя.

Виды наддува

В ДВС применяют три типа наддува:
резонансный –при котором используется кинетическая энергия объема воздуха во впускных коллекторах (нагнетатель в этом случае не нужен)
механический – в этом варианте компрессор приводится во вращение ремнем от двигателя
газотурбинный (или турбонаддув) – турбина приводится в движение потоком отработавших газов.

У каждого способа свои преимущества и недостатки, определяющие область применения.

Резонансный наддув


Как уже отмечалось в начале статьи, для лучшего наполнения цилиндра следует поднять давление перед впускным клапаном. Между тем повышенное давление необходимо вовсе не постоянно - достаточно, чтобы оно поднялось в момент закрытия клапана и «догрузило» цилиндр дополнительной порцией воздуха. Для кратковременного повышения давления вполне подойдет волна сжатия, «гуляющая» по впускному трубопроводу при работе мотора. Достаточно лишь рассчитать длину самого трубопровода, чтобы волна, несколько раз отразившись от его концов, пришла к клапану в нужный момент. Теория проста, а вот воплощение ее требует немалой изобретательности: клапан при разных оборотах коленчатого вала открыт неодинаковое время, а потому для использования эффекта резонансного наддува требуются впускные трубопроводы переменной длины. При коротком впускном коллекторе мотор лучше работает на высоких оборотах , при низких оборотах более эффективен длинный впускной тракт. Переменные длины впускных трубопроводов можно создать двумя способами: или путем подключения резонансной камеры, или через переключение на нужный впускной канал или его подключение. Последний вариант называют еще динамическим наддувом. Как резонансный, так и динамический наддув могут ускорить течение впускного столба воздуха. Эффекты наддува, создаваемые за счет колебаний напора воздушного потока, находится в диапазоне от 5 до 20 миллибар. Для сравнения: с помощью турбонаддува или механического наддува можно получить значения в диапазоне между 750 и 1200 миллибар. Для полноты картины отметим, что существует еще инерционный наддув, при котором основным фактором создания избыточного давления перед клапаном является скоростной напор потока во впускном трубопроводе. Дает незначительную прибавку мощности при высоких (больше 140 км/ч) скоростях движения. Используется в основном на мотоциклах.

Механический наддув

Механические нагнетатели (по англ. supercharger) позволяют довольно простым способом существенно поднять мощность мотора. Имея привод непосредственно от коленчатого вала двигателя, компрессор способен закачивать воздух в цилиндры при минимальных оборотах и без задержки увеличивать давление наддува строго пропорционально оборотам мотора. Но у них есть и недостатки. Они снижают КПД ДВС, так как на их привод расходуется часть мощности, вырабатываемой силовым агрегатом. Системы механического наддува занимают больше места, требуют специального привода (зубчатый ремень или шестеренчатый привод) и издают повышенный шум.

Существует два вида механических нагнетателей: объемные и центробежные.
Типичными представителемя объемных нагнетателей являются нагнетатель Roots и компрессор Lysholm.

Конструкция Roots напоминает масляный шестеренчатый насос. Два ротора вращаются в противоположные стороны внутри овального корпуса. Оси роторов связаны между собой шестернями. Особенность такой конструкции в том, что воздух сжимается не в нагнетателе, а снаружи – в трубопроводе, попадая в пространство между корпусом и роторами. Основной недостаток – в ограниченном значении наддува. Как бы безупречно ни были подогнаны детали нагнетателя, при достижении определенного давления воздух начинает просачиваться назад, снижая КПД системы. Способов борьбы немного: увеличить скорость вращения роторов либо сделать нагнетатель двух- и даже трехступенчатым. Таким образом можно повысить итоговые значения до приемлемого уровня, однако многоступенчатые конструкции лишены своего главного достоинства – компактности. Еще одним минусом является неравномерное нагнетание на выходе, ведь воздух подается порциями. В современных конструкциях применяются трехзубчатые роторы спиральной формы, а впускное и выпускное окна имеют треугольную форму. Благодаря этим ухищрениям нагнетатели объемного типа практически избавились от пульсирующего эффекта. Невысокие скорости вращения роторов, а следовательно, долговечность конструкции вкупе с низким шумом привели к тому, что ими щедро оснащают свою продукцию такие именитые бренды, как DaimlerChrysler, Ford и General Motors. Объемные нагнетатели поднимают кривые мощности и крутящего момента, не изменяя их формы. Они эффективны уже на малых и средних оборотах, а это наилучшим образом сказывается на динамике разгона. Проблема лишь в том, что подобные системы очень прихотливы в изготовлении и установке, а значит, довольно дороги.

Еще один способ нагнетать во впускной коллектор воздух под избыточным давлением в свое время предложил инженер Лисхольм (Lysholm). Его детище окрестили винтовым нагнетателем, или «double screw» (двойной винт). Конструкция наддува Лисхольма чем-то напоминает обычную мясорубку. Внутри корпуса установлены два взаимодополняющих винтовых насоса (шнека). Вращаясь в разные стороны, они захватывают порцию воздуха, сжимают и загоняют ее в цилиндры. Характерна такая система внутренним сжатием и минимальными потерями, благодаря точно выверенным зазорам. Кроме того, винтовые наддувы эффективны практически во всем диапазоне оборотов двигателя, бесшумны, очень компактны, но чрезвычайно дороги из-за сложности в изготовлении. Однако ими не брезгуют такие именитые тюнинг-ателье, как AMG или Kleemann.

Центробежные нагнетатели по конструкции напоминают турбонаддув. Избыточное давление во впускном коллекторе также создает компрессорное колесо (крыльчатка). Его радиальные лопасти захватывают и отбрасывают воздух в окружной тоннель при помощи центробежной силы. Отличие от турбонаддува лишь в приводе. Центробежные нагнетатели страдают аналогичным, хотя и менее заметным инерционным пороком, но есть и еще одна важная особенность. Фактически величина производимого давления пропорциональна квадрату скорости компрессорного колеса. Проще говоря, вращаться оно должно очень быстро, чтобы надуть в цилиндры необходимый воздушный заряд, порой в десятки раз превышая обороты двигателя. Эффективен центробежный нагнетатель на высоких оборотах. Механические «центробежники» не так капризны в обслуживании и долговечнее газодинамических собратьев, поскольку работают при менее экстремальных температурах. Неприхотливость, а следовательно, и дешевизна конструкции снискали им популярность в сфере любительского тюнинга.

Схема управления механическим нагнетателем довольно проста. При полной нагрузке заслонка перепускного трубопровода закрыта, а дроссельная открыта — весь поток воздуха поступает в двигатель. При работе с частичной нагрузкой дроссельная заслонка закрывается, а заслонка трубопровода открывается — избыток воздуха возвращается на вход нагнетателя. Входящий в схему охладитель наддувочного воздуха (Intercooler) является почти непременной составной частью не только механических, но и газотурбинных систем наддува. При сжатии в компрессоре (либо в нагнетателе) воздух нагревается, в результате чего его плотность уменьшается. Это приводит к тому, что в рабочем объеме цилиндра воздуха, а, следовательно, и кислорода, по массе помещается меньше, чем могло бы поместиться при отсутствии нагревания. Поэтому сжатый воздух перед подачей его в цилиндры двигателя предварительно охлаждается в интеркулере. По своей конструкции это обычный радиатор, который охлаждается либо потоком набегающего воздуха, либо охлаждающей жидкостью. Понижение температуры наддувочного воздуха на 10 градусов позволяет увеличить его плотность примерно на 3%. Это, в свою очередь, позволяет увеличить мощность двигателя примерно на такой же процент.

Газотурбинный наддув


Более широко на современных автомобильных двигателях применяются турбокомпрессоры. По сути, это тот же центробежный компрессор, но с другой схемой привода. Это самое важное, можно сказать, принципиальное отличие механических нагнетателей от "турбо". Именно схема привода в значительной мере определяет характеристики и области применения тех или иных конструкций. У турбокомпрессора крыльчатка-нагнетатель сидит на одном валу с крыльчаткой-турбиной, которая встроена в выпускной коллектор двигателя и приводится во вращение отработавшими газами. Частота вращения может превышать 200.000 об./мин. Прямой связи с коленвалом двигателя нет, и управление подачей воздуха осуществляется за счёт давления отработавших газов.

К достоинствам турбонаддува относят: повышение КПД и экономичности мотора (механический привод отбирает мощность у двигателя, этот же использует энергию отработавших газов, следовательно, КПД увеличивает). Не следует путать удельную и общую экономичность мотора. Естественно, для работы двигателя, мощность которого возросла за счет применения турбонаддува, требуется больше топлива, чем для аналогичного безнаддувного мотора меньшей мощности. Ведь наполнение цилиндров воздухом улучшают, как мы помним, для того, чтобы сжечь в них большее количество топлива. Но массовая доля топлива, приходящаяся на единицу мощности в час у двигателя, оснащенного ТК, всегда ниже, чем у схожего по конструкции силового агрегата, лишенного наддува. Турбонаддув дает возможность достичь заданных характеристик силового агрегата при меньших габаритах и массе, чем в случае применения "атмосферного" двигателя. Кроме того, у турбодвигателя лучше экологические показатели. Наддув камеры сгорания приводит к снижению температуры и, следовательно, уменьшению образования оксидов азота. В бензиновых двигателях наддувом добиваются более полного сгорания топлива, особенно на переходных режимах работы. В дизелях дополнительная подача воздуха позволяет отодвинуть границу возникновения дымности, т. е. бороться с выбросами частиц сажи. Дизели существенно лучше приспособлены к наддуву вообще, и к турбонаддуву в частности. В отличие от бензиновых моторов, в которых давление наддува ограничивается опасностью возникновения детонации, им такое явление неведомо. Дизель можно наддувать вплоть до достижения предельных механических нагрузок в его механизмах. К тому же отсутствие дросселирования воздуха на впуске и высокая степень сжатия обеспечивают большее давление отработавших газов и их меньшую температуру в сравнении с бензиновыми моторами. В общем, как раз то, что нужно для применения турбокомпрессора. Турбокомпрессоры более просты в изготовлении, что окупает ряд присущих им недостатков.

При низкой частоте вращения двигателя количество отработавших газов невелико, соответственно, эффективность работы компрессора невысока. Кроме того, турбонаддувный двигатель, как правило, имеет т. н. «турбояму» (по-английски "turbo-lag") — замедленный отклик на увеличение подачи топлива. Вам нужно резко ускориться — вдавливаете педаль газа в пол, а двигатель некоторое время «думает» и лишь потом подхватывает. Объяснение простое — требуется время, пока мотор наберет обороты, увеличится давление выхлопных газов, раскрутится турбина, с ней крыльчатка нагнетателя - и наконец, "пойдет" воздух. Избавиться от указанных недостатков конструкторы пытаются разными способами. В первую очередь, снижением массы вращающихся деталей турбины и компрессора. Ротор современного турбокомпрессора настолько мал, что легко умещается на ладони. Снижение массы достигается не только конструкцией ротора, но и выбором для него соответствующих материалов. Основная сложность при этом- высокая температура отработавших газов. Металлокерамический ротор турбины примерно на 20% легче изготовленного из жаростойких сплавов, да к тому же обладает меньшим моментом инерции. До последнего времени срок службы всего агрегата ограничивала долговечность подшипников. По сути, это были вкладыши, подобные вкладышам коленчатого вала, которые смазывались маслом под давлением. Износ таких подшипников скольжения был, конечно, велик, однако шариковые не выдерживали огромной частоты вращения и высоких температур. Выход нашли когда удалось разработать подшипники с керамическими шариками. Однако достойно удивления не применение керамики - подшипники заполнены постоянным запасом пластичной смазки, то есть канал от штатной масляной системы двигателя уже не нужен! Избавиться от недостатков турбокомпрессора позволяет не только уменьшение инерционности ротора, но и применение дополнительных, иногда довольно сложных схем управления давлением наддува. Основные задачи при этом — уменьшение давления при высоких оборотах двигателя и повышение его при низких. Полностью решить все проблемы можно использованием турбины с изменяемой геометрией (Variable Nozzle Turbine), например, с подвижными (поворотными) лопатками , параметры которой можно менять в широких пределах. Принцип действия VNT турбокомпрессора заключается в оптимизации потока выхлопных газов, направляемых на крыльчатку турбины. На низких оборотах двигателя и малом количестве выхлопных газов VNT турбокомпрессор направляет весь поток выхлопных газов на колесо турбины, тем самым увеличивая ее мощность и давление наддува. При высоких оборотах и высоком уровне газового потока турбокомпрессор VNT располагает подвижные лопатки в открытом положении, увеличивая площадь сечения и отводя часть выхлопных газов от крыльчатки, защищая себя от превышения оборотов и поддерживая давление наддува на необходимом двигателю уровне, исключая перенаддув.

Комбинированные системы


Помимо одиночных систем наддува сейчас часто встречается и двухступенчатый наддув. Первая ступень — приводной компрессор — обеспечивает эффективный наддув на малых оборотах ДВС, а вторая — турбонагнетатель — утилизирует энергию выхлопных газов. После достижения силовым агрегатом достаточных для нормальной работы турбины оборотов, компрессор автоматически выключается, а при их падении вновь вступает в действие.

Ряд производителей устанавливают на свои моторы сразу два турбокомпрессора. Такие системы называют «битурбо» или «твинтурбо». Принципиальной разницы в них нет, за одним лишь исключением. «Битурбо» подразумевает использование разных по диаметру, а следовательно и производительности, турбин. Причем алгоритм их включения может быть как параллельным, так и последовательным (секвентальным). На низких оборотах быстро раскручивается и вступает в работу турбонаддув маленького диаметра, на средних к нему подключается «старший брат». Таким образом, выравнивается разгонная характеристика автомобиля. Система дорогостоящая, поэтому ее можно встретить на престижных автомобилях, например Maserati или Aston Martin. Основная задача «твинтурбо» заключается не в сглаживании «турбоямы», а в достижении максимальной производительности. При этом используются две одинаковые турбины. Устанавливаются «твин-» и «битурбо» как на V-образные блоки, так и на рядные моторы. Варианты подключения турбин также идентичны системе «битурбо». В чем же смысл? Дело в том, что производительность турбины напрямую зависит от двух ее параметров: диаметра и скорости вращения. Оба показателя весьма капризны. Увеличение диаметра приводит к повышению инерционности и, как следствие, к пресловутой «турбояме». Скорость же турбины ограничивается допустимыми нагрузками на материалы. Поэтому две скромные и менее инерционные турбины могут оказаться эффективнее одной большой.

Рекомендации

Во-первых, вовремя меняйте масло и масляный фильтр. Во-вторых, используйте только масло, предназначенное для двигателей, оборудованных турбонаддувом, которое изначально рассчитано на более высокие температуры, чем обычное. Но в дороге всякое может случиться, и если вам пришлось залить неизвестное масло, то не гоните, двигайтесь потихоньку. Двигатель это масло переживет, а вот турбонаддув — не обязательно. Приехав домой, сразу же смените масло и масляный фильтр. И, наконец, третье, самое главное условие нормальной работы турбонаддува. В жизни турбины есть два самых ответственных момента: запуск двигателя и его остановка. При запуске холодного двигателя масло в нем имеет высокую вязкость, оно с трудом прокачивается по зазорам; еще не установились тепловые зазоры; нагрев разных деталей компрессора, а следовательно, и тепловое расширение, идут с разной скоростью. Поэтому не спешите, дайте двигателю прогреться. Если вам надо остановиться, никогда не глушите двигатель сразу. В зависимости от режима езды дайте ему поработать на холостом ходу 2-5 минут (зимой можно дольше). За это время вал турбины снизит обороты до минимальных, а детали, непосредственно соприкасающиеся с выхлопными газами, плавно остынут. В этой ситуации значительно облегчает жизнь турбо-таймер. Он проследит за тем, чтобы разгоряченный двигатель автомобиля поработал несколько минут на холостом ходу, остужая элементы турбонаддува, даже если владелец уже покинул и закрыл своё авто. Впрочем, подобную функцию имеют и многие охранные сигнализации.

 

Источник: http://avtonov.svoi.info 

 

 

                                                                                       

 

 

                                          

 

                                                                   

                                                                   

                                                                              НА ВЕРХ

Наддув и нагнетатель (компрессора)

Нагнетатель (компрессор) – механизм для сжатия и подачи воздуха под давлением.

Наддув – процесс повышения давления воздуха или некой смеси на впуск двигателя для увеличения количества горючей смеси в цилиндре и как следствие увеличение мощности получаемой от единицы объема двигателя.

Механический нагнетатель – это компрессор, предназначенный для сжатия  воздуха или же смеси топлива и воздуха, которые направляются в цилиндры двигателя  внутреннего сгорания для повышения массового заряда горючей смеси. Из-за этого растёт калорийности смеси поступающей в цилиндры и увеличивается мощность двигателя. Он приводится в движение коленчатым валом или ремнем.

Довольно давно инженеры и конструкторы установили главную цель в развитии автомобилестроения. Ею стала увеличение удельной мощности при меньших габаритах двигателя.

Первое свидетельство о применении механического нагнетателя приписывают братьям Рутс  (анг. Roots), они создали нагнетатель с аналогичным названием «Roots». Чуть позже  в 1885 годуГоттлиб Даймлер запатентовал свой механический нагнетатель работающий по аналогу Рутс. Спустя 7 лет  в 1902 голу Луис Рено запатентовал свою собственную конструкцию центробежного нагнетателя. А в 1911 году швейцарскому инженеру Альфреду Бюши в голову пришла гениальная мысль использовать энергию выхлопных газов для нагнетания давления. Он стал первым человеком догадавшимся что можно использовать отработанные газы.

Быстрой рост развития нагнеталей сдерживался отсутствием подходящих материалов. Из-за большой температуры отработанных газов уменьшился срок службы выпускных клапанов, поршней систем охлаждения. При этом литровая мощность действительно увеличилась, но это не имело значение, поскольку двигатель чаще приходил в неисправность. Эйфория от изобретения постепенно сходила на нет.

 

История развития нагнетателей
Нагнетатели  в авиации
Как и ожидалось следующий шаг в развитии нагнетателей был сделан вверх в авиационную отрасль. Самым первым авиа двигателем на который установили механический наддув принадлежат самолету «Мюррей-Вильята», который в 1910 г. установил рекордную высоту в 5200.  В 1918 году на один из французский истребитель «SPAD» S.XIIIC» инженером Огюстом Рато был установлен турбокомпрессор с аналогичным названием «Рато». Целесообразность этого действия была нулевой и не давала двигателю абсолютно никаких преимуществ. У мотора не было достаточно мощности для привода турбины. Через два года Рато смог реабилитироваться установив свой турбокомпрессор на двигатель «Либерти L-12» в биплане «Lepere», которому удалось побить рекорд высоты ( 10092 метра) и на долго остаться на пьедестале не побежденным. Совместная работа металлургов, ученных, авиаконструкторов и машиностроителей позволила создать новые поршни, клапаны и подшипники способные выдержать гораздо большую нагрузку чем их предшественники, что позволило наддуву закрепится и пустить корни в авиации.

Нагнетатели в судоходстве
С небес наддувы сразу перекачивали на воду. В 1923 году в Германии начали выпускать пассажирские лайнеры Preussen и Danzig. Установка турбокомпрессора на 10-и цилиндровые двигатели этих гигантов увеличили их мощность в полтора раза.

 Нагнетатели в машиностроении
Появлением и активным распространением на наземной техники нагнетатели обязаны Второй Мировой Войне и автогонщикам.

История вклада автоспорта в развитие наддувов начинается с двигателей «Daimler», «FIAT» и  «Sunbeam» в  1921 году. Второй, между прочим, выиграл Большой приз Европы в 1923 году. Через год болиды «Daimler» и «Alfa Romeo» выиграли Танга Флорио  и Большой приз Франции соответственно.

Автомобильный спорт внес не только необходимые финансы в развитие наддувов, но поселил любовь в сердце всех мужчин, обеспечив тем самым его будущие развитие. Первые нагнетатели установленные на спортивных авто сумели показать себя с самой лучшей стороны, давая двигателю от 50-70% дополнительной мощности.
В военной отрасли изначально наддувы планировали ставить на танки и грузовики, но из-за отсутствия должных знаний и материальных средств от установки надувов на танки пришлось отказаться на время. Первая массовая серия наддув была произведена и установлена на грузовики Saurer произведённые в Швейцарии в 1938 году.

Предпосылки к созданию наддувов
Для того чтобы ответить на то что же стало движущей силой для изобретения и создания наддува давайте обратив внимание на устройство двигателя. Поскольку подача необходимого объема топлива затруднений не вызывает, главной задачей для увеличения производительности становится обеспечение должной массы воздуха за единицу времени. Этот же показатель на прямую связан с частотой вращения коленчатого вала. Его пределом является допустимое значение средней скорости работы поршня. Данный показатель в основном имеет значение лишь для механических наддувов и рабочим объемом мотора. Из выше сказанного, что при заданных параметрах есть потолочное значение, выше которого можно подняться только, в том случае если установить наддув. Без особых проблем на сегодняшний день можно поднять мощность двигателя на 25% просто установив наддув, но если к нему добавить интеркулер мощность вырастит вдвое.

Точность балансировки наддува очень важна. Высокое давление и температура воздуха подаваемого в цилиндры может привести к очень серьезным негативным последствия и быстрому износу. Под конец такта сжатия в момент когда поршень прессует и без того уже сжатую смесь ее давление и температура могут оказаться на столько высокими что произойдет преждевременная детонация. Дабы это не происходило принято переходить на использование более высокооктановых сортов топлива или проводить декомпрессию – снижающую степень сжатия.

Стоить учитывать, что снижение степени сжатия также отрицательно влияет на экономичность и КПД.

70-80-е годы стали для механических нагнетателей временем затухания их более продвинутые собрать турбонагнетатели (турбокомпрессоры) отвоевывали рынок. Самой продвинутой системой принудительного нагнетания установленной на серийных автомобилях сейчас считается «Mercedes-Benz» класс C, E, при этом они почти полностью копируют образцы 20-30 годов (Рутс и Eaton), что свидетельствует о том что данная ветка развития нагнетателей отмирает. Ею пользуются в тех случаях, когда нужно добиться разной мощности не сильно меняя конструкции двигателя.

Практика в нашей стране не показала особого внимания к данной технологии, из-за чего она почти не используется. Исключение составляют автогонки 60-70 годов и сельскохозяйственная отрасль.

Гораздо более широкое применение во всем мире  получил наддув приводимый в действие силой отработанных газов турбо наддув.

Классификация наддува ДВС по видам.
Агрегатный наддув
Подразумевает использование нагнетателя (агрегата). Делится на:

1.    Механический наддув – отличительной особенностью этого компрессора является использование для привода энергии коленчатого вала.

2.    Турбонаддув (он же турбокомпрессор) – это компрессор (обычно центробежный) привод которого осуществляется турбиной, лопасти которого вращаются благодаря кинетической энергии выхлопных газов.

3.    Наддув «Comprex» — использует давления отработавших газов, непосредственно на поток воздуха поступаемого в мотор.

4.    Электро наддув – его отличительной особенностью является то, что привод осуществляется электрическим мотором.

5.    Комбинированный наддув – это смесь нескольких видов наддува, работающих в зависимости от нагрузки. Чаще всего это комбинация турбонаддува и механического. Первый работает на высоких оборотах, а второй на низких.

Безагрегатный наддув
 Делится на:

1.    Резонансный наддув (он же акустический или инерционный) работает, используя колебательные явления внутри трубопровода.

2.    Динамический наддув (он же пассивный или скоростной) рост давления осуществляется воздухозаборниками  специальной формы исключительно на высокой скорости. На низких скоростях этот вид наддува совершенно бесполезен.
Пометка: В этой статье понятие «динамический наддув» применяется исключительно для наддува с воздухозаборниками особой формы и не относится к «резонансному».

3.    Рефрижерационный наддув использует энергию испаряющегося топлива в воздухе. Характеризуется наличием жидкости с низкой температурой кипения и большим высокой температурой пара. Не применяется в автомобилях.

Компрессоры прошли долгий и широкий путь в развитии авто, авиа и судостроения. За это время их конструкция менялась до неузнаваемости, появлялись новые виды, а старые и не прижившиеся забывались. Здесь я хочу вспомнить какие из них уже почти забыты.

Наддув, нагнетатели и немного истории

Автор: Владимир Егоров
Источник: icarbio.ru
58442 9
Готтлиб Даймлер

Наддув начал использоваться на практике, как только конструкторы определили важнейший автомобильный приоритет – высокую удельную мощность при возможно меньших габаритах мотора. Первым нагнетателем, появившемся на автомобильном двигателе (если не считать самых ранних поршневых компрессоров), стал принудительный или механический нагнетатель типа «Рутс» («Roots»), хорошо зарекомендовавший себя в промышленности. Это произошло в 1885 году [1], когда Готтлиб Даймлер запатентовал нагнетатель собственной конструкции, работавший по принципу нагнетателя братьев Рутс. В 1902 г. во Франции Луис Рено запатентовал проект центробежного нагнетателя, а уже в 1911 г. принцип действия турбонагнетателя, работающего на энергии выхлопных газов, впервые описал и запатентовал швейцарский изобретатель Альфред Бюхи.

Наддув
Повышение давления воздуха при впуске в двигатель внутреннего сгорания с целью увеличения количества подаваемого топлива и, соответственно, мощности снимаемой с единицы объёма двигателя.
Нагнетатель (компрессор)
Механизм для сжатия и подачи газов под давлением.

Однако быстрое решение задачи (литровая мощность действительно заметно увеличилась) оказалось не таким удачным, как представлялось вначале. Существенно возросший приток тепла, который несли отработавшие газы, преждевременно выводил из строя выпускные клапаны, поршни и систему охлаждения. Несоответствие конструкции и применявшихся материалов задержало развитие наддува на автомобиле.

Истребитель «SPAD» S.XIII»

Следующий шаг сделали авиационные двигателисты. Первым авиационным двигателем с механическим наддувом считается двухтактный ротативный двигатель «Мюррей-Вильята», на самолёте с которым в 1910 г. был установлен рекорд высоты в 5200 м. В 1918 г., на один из истребителей «SPAD» S.XIIIC» был установлен турбонаддувный агрегат «Рато» («Rateau»), который не дал преимуществ самолёту (в связи с недостатками его конструкции и недостаточной для привода турбины мощностью авиадвигателя первых модификаций «Испано-Сюиза» 8-й серии). Но уже в том же году турбонаддувным агрегатом «Рато» был оснащен более мощный чем «Испано-Сюиза» двигатель «Либерти» L-12», а в 1920 г. биплан «Lepere» с этим двигателем поднялся на рекордную по тем временам высоту - 10092 м. Важные исследования, проведенные совместно с металлургами, позволили наладить выпуск поршней, клапанов и подшипников, отвечавших более жестким требованиям. В итоге, наддув всерьез и надолго прижился в авиации.

Внедрению систем наддува не в небесах, а на земле помог автомобильный спорт, где требовались мощные и легкие моторы. Первыми разработали спортивные двигатели с наддувом «Daimler» (1921 г.), «Sunbeam» и «FIAT» (1922 г.). Именно итальянский гоночный «FIAT», выиграв в 1923 г. Большой приз Европы, открыл список побед системы-новинки. В следующем, 1924 г. компрессорные «Alfa Romeo» и «Daimler» завоевали, соответственно, Большой приз автомобильного клуба Франции и первое место в гонках Тарга Флорио в Италии. Уже первые нагнетатели повышали мощность на 50-70%. Например, у 2-литрового двигателя «Delage» после введения наддува мощность возросла со 125 до 190 л.с., т.е. на 52%!

Рассмотрим явление наддува подробнее. Так как подача необходимого количества топлива технических затруднений не вызывает, то мощность двигателя зависит, главным образом, от поступающей в цилиндры за единицу времени массы воздуха. Этот показатель, в свою очередь, связан с рабочим объемом мотора, частотой вращения коленчатого вала (предел здесь - допустимое значение средней скорости поршня) и объемным КПД (коэффициентом наполнения). Стало быть, при заданных условиях увеличить массу воздуха, проходящего через цилиндры, можно только через наддув. Нагнетая воздух в цилиндр принудительно, на современном двигателе можно без особых проблем получить 25%-ную прибавку к мощности, а с интеркулером мощность можно удвоить.

Высокая температура и давление подаваемого в цилиндры воздуха может привести к тому, что в конце такта сжатия, когда поршень спрессует в цилиндре и так уже сжатую топливо-воздушную смесь, ее температура и давление могут оказаться настолько высокими, что это вызовет преждевременную ее детонацию – это явление очень опасно для бензинового двигателя, так как ведёт к его катастрофическому износу. Дабы избежать подобных проблем, можно перейти на более высокооктановые сорта топлива, но чаще всего этого оказывается мало. При достаточно больших значениях давления приходится производить декомпрессию, т.е. снижать степень сжатия.

«Mercedes-Benz» 540K»

Сниженная же степень сжатия отрицательно влияла на КПД и экономичность. В итоге приводные нагнетатели рекомендовались лишь для крайних случаев. В инструкции 1937 г. для легкового автомобиля «Mercedes-Benz» 540K» (на этой модели, кстати, карбюратор дополняли специальные клапаны, включавшиеся одновременно с компрессором) говорилось: «Включайте компрессор (при 1000 оборотов в минуту) только в случае острой необходимости, например, для быстрого проезда перекрестков, ускоренных разгонов, преодоления коротких крутых подъемов и т.д. Продолжительность работы мотора с компрессором не должна превышать 1 минуту, а при достижении 3400 об/мин отключите систему немедленно».

Несмотря на попытки «Lancia», «Volkswagen», «General Motors» в 70-80-е годы усовершенствовать нагнетатели, приводные компрессоры постепенно сошли со сцены. Сейчас они применяются в основном различными тюнинг-ателье и гаражными «умельцами» для форсирования двигателей и очень редко стоят на серийных автомобилях. Крупные автопроизодителям используют нагнетатели в том случае, когда необходимо создать ряд двигателей разной мощности без существенной переделки конструкции базового двигателя.

Самая современная система с принудительным нагнетателем, установленная на моделях «Mercedes-Benz» С- и Е-класса практически не отличается от распространённых в 20-30-е годы роторно-шестеренчатых компрессоров типа «Рутс». Двигатель рабочим объемом 2,3 л комплектуется механическим компрессором фирмы «Eaton», усовершенствованной версией «Рутс» - винтообразных лопастей уже не две, а три или четыре. Привод осуществляется поликлиновыми ремнями от коленчатого вала двигателя. Особое покрытие лопастей, уменьшив трение, значительно улучшило КПД механизма. Подключается компрессор уже не водителем, а специальным электромагнитным сцеплением и только тогда, когда требуется резкое увеличение мощности. Степень сжатия уменьшена до 8,8. Четырехцилиндровый двигатель рабочим объемом 2,3 л развивает с компрессором 193 л.с. вместо 150 л.с. при 5400-5500 об/мин. Крутящий момент увеличивается с 220 до 270 Нм при 3750-3800 об/мин.

У нас в стране опыт применения механических нагнетателей на легковых автомобилях ограничился единичными экземплярами гоночных машин в 40-50-е годы.

Значительно более широкое распространение в мире получил наддув с турбонагнетателем, т.е. нагнетателем, приводимым турбиной, действующей на отработавших газах.

Ниже приведена классификация видов наддува ДВС.

Агрегатный наддув осуществляется с помощью нагнетателя. Он подразделяется на:

  • механический наддув, где используется компрессор, приводимый в действие от коленчатого вала двигателя;
  • турбонаддув, где компрессор (обычно центробежный) приводится турбиной, вращаемой выхлопными газами двигателя;
  • наддув «Comprex», заключающийся в использовании давления отработавших газов, действующих непосредственно на поток воздуха, подаваемого в двигатель;
  • электрический наддув, где используется нагнетатель, вращаемый электродвигателем;
  • комбинированный наддув объединяет несколько схем, как правило, речь идет о совмещении механического и турбонаддува.

Безагрегатный наддув. К нему относят:

  • резонансный наддув (иногда называемый инерционным или акустическим), реализуемый за счёт колебательных явлений в трубопроводах;
  • динамический наддув (скоростной или пассивный наддув) увеличивает давление во впускном коллекторе за счет воздухозаборников особой формы при движении с высокой скоростью;
  • рефрижерационный наддув достигается испарением в поступающем воздухе топлива или какой-либо другой горючей жидкости с низкой температурой кипения и большой теплотой парообразования, на автомобильных двигателях не применяется.

Отметим, что существуют некоторые разногласия в понятиях, и резонансный наддув иногда называют динамическим. В данной статье мы под динамическим наддувом будем понимать только увеличение давления на впуске за счет воздухозаборников особой формы.

Механический наддув

Механический наддув позволяет легко поднять мощность двигателя. Основным элементом в такой системе является нагнетатель, приводимый непосредственно от коленчатого вала двигателя. Механический нагнетатель способен закачивать воздух в цилиндры при минимальных оборотах и без задержки, увеличивая давления наддува строго пропорционально оборотам двигателя, что является важным преимуществом подобной схемы. Однако механический наддув имеет и существенный недостаток – он отбирает на свою работу часть мощности двигателя.

На видео ниже экстремальный трицикл «Rocket 2» с механическим наддувом.

Все виды механических нагнетателей можно подразделить на объемные («Рутс», «Лисхольм» и др.) и центробежные.

Нагнетатель типа «Рутс»/«Итон»

Схема работы нагнетателя типа «Рутс»/«Итон»

Братья Рутс разработали свой нагнетатель еще в 1859 г. Он относится к объёмным роторным шестерённым машинам для подачи газовых сред. Первоначально он использовался как вентилятор для проветривания промышленных помещений. Конструкция его была очень проста: две вращающиеся в противоположных направлениях прямозубые «шестерни», помещенные в общий кожух, перекачивают объемы воздуха от впускного коллектора до выпускного в пространстве между своими зубьями и внутренней стенкой корпуса.

В 1949 году другой американский изобретатель – Итон (Eaton) – усовершенствовал конструкцию: прямозубые «шестерни» превратились в косозубые роторы, а воздух стал перемещаться не поперек их осей вращения, а вдоль. Принцип работы при этом не изменился - воздух внутри агрегата не сжимается, а просто перекачивается в другой объем, отсюда и название - объемный нагнетатель.

Нагнетатель «TVS»

В настоящее время совершенствование нагнетателей данного типа идёт по пути увеличения количества зубьев-лопаток, если первоначально в нагнетателе Итона было по две лопатки на роторе, то сегодня их число достигло четырёх – «Eaton» TVS» [2]. Увеличение числа лопаток позволяет сгладить основной недостаток нагнетателей типа «Рутс» – неравномерность подачи воздуха, создающую пульсацию давления. Кроме того, для тех же целей впускное и выпускное окно компрессора делают треугольным. Эти конструктивные ухищрения позволяют добиться того, что такие компрессоры работают достаточно тихо и равномерно. Компрессоры подобного типа имеют ещё один существенный недостаток. При выдавливании несжатого воздуха в сжатый в нагнетательном трубопроводе создается турбулентность, способствующая росту температуры воздушного заряда, поэтому наряду с обычным ростом температуры от непосредственно повышения давления происходит дополнительный нагрев. В этой связи современные нагнетатели данного типа в обязательном порядке оснащаются интеркулерами.

Механический наддув c нагнетателем «Рутс»/«Итон»

Сегодня современные технологические возможности вывели подобные компрессоры на очень высокий уровень производительности. Основные преимущества нагнетателей «Рутс» заключаются в простоте конструкции (малое количество деталей и малая скорость вращения роторов делают такие нагнетатели очень долговечными), компактности, эффективности на малых и средних оборотах двигателя, низком уровне шума по сравнению с центробежными компрессорами.

Центробежный нагнетатель

Центробежный нагнетатель

Подобные нагнетатели получили в настоящее время наибольшее распространение, как в виде отдельного приводного компрессора, так и главным образом в составе турбонаддува.

Основная деталь центробежного нагнетателя – рабочее колесо, или крыльчатка. Она имеет довольно сложную конусообразную форму. Лопатки крыльчатки играют самую главную роль. От того, насколько правильно они спроектированы и изготовлены, зависит результирующая эффективность всего нагнетателя. Итак, воздух, пройдя по сужающемуся воздушному каналу в нагнетатель, попадает на радиальные лопасти крыльчатки. Лопасти закручивают и отбрасывают его центробежной силой к периферии кожуха, где имеется диффузор. Зачастую диффузор имеет лопатки (порой с регулировкой угла атаки), призванные снизить потери давления. Далее воздух выталкивается в окружной воздушный туннель (воздухосборник), который чаще всего имеет улиткообразную форму (воздухосборник, описывая окружность, постепенно расширяется в диаметре). Такая конструкция создает необходимое давление воздушного потока на выходе из нагнетателя. Дело в том, что внутри кольца воздух поначалу движется быстро, и его давление мало. Однако в конце улитки русло расширяется, скорость воздушного потока понижается, а давление увеличивается.

В силу самого принципа работы у центробежного нагнетателя есть один существенный недостаток. Для эффективной работы крыльчатка должна вращаться не просто быстро, а очень быстро. Фактически производимое центробежным компрессором давление пропорционально квадрату скорости крыльчатки. Скорости могут быть 40  тыс. об/мин и более, а для высоконапорных компрессоров дизелей они приближаются к 200 тыс. об/мин. И в том случае если привод осуществляется от двигателя посредством ременной передачи на шкив турбины, шум от такого устройства довольно сильный. Проблема шумности и ресурса элементов привода частично снимается введением дополнительного мультипликатора, который снижает КПД механического нагнетателя.

Высокие рабочие обороты накладывают особые требования на качество используемых материалов и точность изготовления (учитывая огромные нагрузки от центробежных сил). К минусам самого принципа нагнетания можно также отнести некоторую задержку в срабатывании. Как правило, центробежный нагнетатель дает прибавку в мощности на довольно высоких оборотах двигателя. Сначала давление нарастает медленно, но затем, с увеличением оборотов, довольно резко возрастает. Эта особенность делает центробежные нагнетатели наиболее пригодными для тех случаев, когда более важно поддержание высоких скоростей, а не интенсивность разгона.

Центробежные нагнетатели очень популярны: сравнительно низкая цена и простота установки способствовали тому, что компрессоры этого типа почти вытеснили другие, более дорогие и сложные типы, особенно в сфере тюнинга. Недостатки данного типа нагнетателей известны: повышенные шум и износ, эффективная прибавка мощности только на высоких оборотах.

Нагнетатели типа «Лисхольм»

Схема нагнетателя типа «Лисхольм»

Следует также рассказать о винтовом нагнетателе или нагнетателе типа «Лисхольм» («Lysholm»). Компрессоры данного типа иногда используются для увеличения мощности двигателя. Первый в мире винтовой нагнетатель был изготовлен и запатентован шведским инженером Альфом Лисхольмом в 1936 г. Он также как и «Рутс» относится к роторным объёмным нагнетателям. Два ротора с взаимодополняющими профилями захватывая поступающий воздух, начинают взаимное встречное вращение. Порция воздуха проталкивается вперед вдоль роторов. Роторы имеют между собой чрезвычайно малые зазоры - это обеспечивает высокую эффективность и довольно малые потери. Основное отличие винтового компрессора от объемных роторно-шестеренчатых нагнетателей – наличие внутреннего сжатия, следовательно, не возникает дополнительной турбулентности как у рутс-компрессоров. Это обеспечивает им высокую эффективность нагнетания практически на всей шкале оборотов двигателя. Для достижения больших значений давления может потребоваться охлаждение корпуса компрессора.

Нагнетатель типа «Лисхольм»

Основные плюсы нагнетателей типа «Лисхольм»: высокая эффективность (КПД порядка 70%), надежность и компактная конструкция. Кроме того, винтовые компрессоры довольно тихие при правильном проектировании и изготовлении. Здесь и кроется единственный их минус. Дело в том, что роторы этих компрессоров имеют очень сложную форму и, как следствие, дороги. По этой причине нагнетатели «Лисхольм» практически не встречаются в массовом автомобильном производстве. По той же причине и компаний, производящих эти прогрессивные нагнетатели, не так много.

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.

Турбонаддув

Схема турбонаддува

Турбокомпрессор или турбонагнетатель состоит из газовой и компрессорной турбин посаженных на один вал. Фактически компрессорная часть – это центробежный нагнетатель. Скорость вращения газовой турбины, благодаря энергии отработавших газов, очень высока (50-100 тысяч об/мин). Компрессор засасывает и сжимает воздух, подающийся затем во впускной трубопровод для приготовления горючей смеси. Степень сжатия приходится уменьшать и в этом случае, однако тепловой КПД такого мотора снижается незначительно и, более того, удельный расход топлива иногда даже падает. При высоком давлении наддува целесообразно охлаждать воздух после компрессора до поступления в цилиндры. В бензиновых двигателях температура воздуха в цилиндрах ограничена детонацией. Чем выше жаропрочность лопаток турбины (предел около 1000 °С) и чем большую температуру раскаленных выхлопных газов выдерживает этот материал, тем эффективнее работа турбонагнетателя. Нагрев выхлопных газов в дизелях доходит до 600 °С, а в бензиновых двигателях до 1000 °С, поэтому с точки зрения долговечности дизельная турбина дает лучшие результаты. Также увеличенный приток воздуха позволяет дизелю хорошо справляться с обедненными смесями, воспламенение которых при высоких температурах сжатия не вызывает никаких затруднений. Кроме того, дизели с турбонаддувом становятся менее «жесткими» в работе. Однако при быстром и резком увеличении мощности возникают проблемы. Из-за инерции турбокомпрессора подача воздуха отстает от подачи топлива, поэтому сначала дизель работает на обогащенной смеси с повышенной дымностью. Длительность этого периода зависит от момента инерции ротора турбокомпрессора, которую сводят к минимуму увеличением оборотности при уменьшении диаметра колес турбины.

Свои особенности у турбонаддува бензиновых двигателей. Здесь, как правило, экономия топлива достигается переходом на уменьшенный рабочий объем двигателя (при той же или большей мощности, обеспечиваемой турбонаддувом). Воспламенение бедных смесей бензина с воздухом происходит с трудом, поэтому необходимо регулировать количество подаваемого воздуха (а не топлива, как на дизеле), что особенно важно при высоких частотах вращения, когда компрессор работает с максимальной производительностью. Существует множество способов ограничения подачи воздуха при пиковых режимах. Рассмотрим систему регулирования «АРС» фирмы «SAAB», в которой для регулирования давления наддува применена электроника. За давлением наддува следит специальный клапан, контролирующий поток отработавших газов, идущих через перепускной канал мимо турбины. Клапан открывается при разрежении во впускном трубопроводе, величина которого регулируется дросселированием потока воздуха между впускным трубопроводом и входом в компрессор. Степень разрежения в перепускном клапане зависит от положения дроссельной заслонки с электроприводом, управляемым электронным устройством, получающим сигналы датчиков давления наддува, детонации и частоты вращения. Датчик детонации представляет собой чувствительный пьезоэлектрический элемент, установленный в блоке цилиндров и улавливающий детонационные стуки. По сигналу этого датчика ограничивается разрежение в управляющей камере перепускного клапана.

Система «АРС» заметно улучшает динамику автомобиля. Например, для быстрого обгона (или разгона) в условиях интенсивного движения двигатель переводится в режим работы с максимальным давлением наддува. При этом детонация в относительно холодном, работавшем на частичной нагрузке двигателе не может, естественно, возникнуть мгновенно. По истечении нескольких секунд, когда температуры возрастут и начнут проявляться первые тревожные симптомы, по сигналу датчика детонации управляющее устройство плавно снизит давление наддува. Применение системы «АРС» при сохранении значений крутящего момента двигателя по внешней характеристике поднимает степень сжатия с 7,2 до 8,5, уменьшая давление наддува с 50 до 40 кПа при 6-8% экономии топлива.

В последнее время совершенствование концепций наддува идет по пути создания регулирующих систем для повышения крутящего момента при низких оборотах двигателя, а также снижения инерционности. Существует несколько способов решения данной проблемы:

  • применение турбины с изменяемой геометрией;
  • использование двух параллельных турбонагнетателей;
  • использование двух последовательных турбонагнетателей;
  • комбинированный наддув.

Турбина с изменяемой геометрией обеспечивает оптимизацию потока отработавших газов за счет изменения площади входного канала. Турбины с изменяемой геометрией нашли широкое применение в турбонаддуве дизельных двигателей, к примеру турбонаддув двигателя «TDI» от «Volkswagen».

Система с двумя параллельными турбонагнетателями (система «biturbo») применяется в основном на мощных V-образных двигателях (по одному на каждый ряд цилиндров). Принцип работы системы основан на том, что две маленькие турбины обладают меньшей инерцией, чем одна большая.

При установке на двигатель двух последовательных турбин (система «twin-turbo») максимальная производительность системы достигается за счет использования разных турбонагнетателей на разных оборотах двигателя.

Комбинированный наддув объединяет механический и турбонаддув. На низких оборотах коленчатого вала двигателя сжатие воздуха обеспечивает механический компрессор. С ростом оборотов подхватывает турбонагнетатель, а механический компрессор отключается. Примером такой системы является двойной наддув двигателя «TSI» от «Volkswagen».

После отказа от карбюраторов и переходе на электронный впрыск топлива особенно эффективным стал турбонаддув на бензиновых двигателях. Здесь уже достигнута впечатляющая топливная экономичность.

В целом же, следует признать, что турбонаддув, увеличивая тепловые и механические нагрузки, заставляет вводить в конструкцию ряд упрочненных узлов, усложняющих двигатель как в производстве, так и при техническом обслуживании.

Наддув «Comprex»

Также не хотелось оставить без внимания такой интересный способ наддува как «Компрекс» («Comprex»), разработанный фирмой «Браун энд Бовери» (Швейцария) заключающийся в использовании давления отработавших газов, действующих непосредственно на поток воздуха, подаваемого в двигатель. Получаемые при этом показатели двигателя такие же, как и в случае использования турбокомпрессора, но турбина и центробежный нагнетатель, для изготовления и балансировки которых требуются специальные материалы и высокоточное оборудование, отсутствуют.

Схема системы «Comprex»

Главная деталь в системе «Компрекс» - это лопастный ротор, вращающийся в корпусе с частотой вращения, втрое большей частоты вращения коленчатого вала двигателя. Ротор установлен в корпусе на подшипниках качения и приводится в движение клиновым или зубчатым ремнем от коленчатого вала. Привод компрессора типа «Компрекс» потребляет не более 2% мощности двигателя. Агрегат «Компрекс» не является компрессором в полном смысле слова, поскольку его ротор имеет только каналы, параллельные оси вращения. Эта система наддува является единственным выпущенным большой партией нагнетателем с волновым обменником давления. Он, как и механический нагнетатель, приводится в действие от распределительного вала, но использует полученную энергию лишь для синхронизации частоты вращения ротора с частотой вращения распределительного вала двигателя, а сжимает воздух энергия отработавших газов. Ротор имеет каналы параллельные оси его вращения, где поступающий в двигатель воздух сжимается давлением отработавших газов. Торцовые зазоры ротора гарантируют распределение отработавших газов и воздуха по каналам ротора. На внешнем контуре ротора расположены радиальные пластины, имеющие небольшие зазоры с внутренней поверхностью корпуса, благодаря чему образуются каналы, закрытые с обеих сторон торцовыми крышками.

В правой крышке имеются окна: а - для подачи отработавших газов от двигателя в корпус агрегата и г - для отвода отработавших газов из корпуса в выпускной трубопровод и далее - в атмосферу. В левой крышке имеются окна: б - для подачи сжатого воздуха в двигатель и д - для подвода свежего воздуха в корпус из впускного трубопровода е. Перемещение каналов при вращении ротора вызывает их поочередное соединение с выпускным и впускным трубопроводами двигателя.

При открывании окна а возникает ударная волна давления, которая со скоростью звука движется к другому концу выпускного трубопровода и одновременно направляет в канал ротора отработавшие газы, не смешивая их с воздухом. Когда эта волна давления достигнет другого конца выпускного трубопровода, откроется окно б и сжатый отработавшими газами воздух в канале ротора будет вытолкнут из него в трубопровод в к двигателю. Однако еще до того, как отработавшие газы в этом канале ротора приблизятся к его левому концу, закроется сначала окно а, а затем окно б, и этот канал ротора с находящимися в нем под давлением отработавшими газами с обеих сторон будет закрыт торцовыми стенками корпуса.

При дальнейшем вращении ротора этот канал с отработавшими газами подойдет к окну г в выпускной трубопровод и отработавшие газы выйдут в него из канала. При движении канала мимо окон г выходящие отработавшие газы эжектируют через окна д свежий воздух, который, заполняя весь канал, обдувает и охлаждает ротор. Пройдя окна г и д, канал ротора, заполненный свежим воздухом, вновь закрывается с обеих сторон торцовыми стенками корпуса и, таким образом, готов к следующему циклу [3].

Описанный цикл весьма упрощен в сравнении с происходящим в действительности и осуществляется лишь в узком диапазоне частоты вращения двигателя. Здесь кроется причина того, что известный уже в течение долгого времени этот способ наддува практически не применяется в автомобилях. «Comprex» был серийно использован в дизельных моделях двух знаменитых марок: «Opel» в 2,3-литровом «Senator» и «Mazda» 626» в 2,0-литровом четырехцилиндровом моторе. Но «Opel» ставил компрекс-нагнетатели на свои модели всего год (до 1986 года), в отличие от компании «Mazda», которая поставляла свои двигатели с компрекс-наддувом до 1996 года, пока в июне 1997 года он окончательно не был снят с программы производства.

Свое преимущество компрекс-нагнетатель проявляет уже на низких оборотах двигателя, так как при этом ему вполне достаточно и малого объема отработавших газов для того, чтобы получить высокую степень сжатия. В этом и заключается важное отличие от турбонагнетателя, количество отработавших газов в котором находится в прямой зависимости от привода компрессора. Также применение агрегата наддува «Компрекс» вместо турбокомпрессора снижает шум двигателя, так как он работает при более низкой частоте вращения.

Электрический наддув

Система электрического наддува разрабатывалась фирмой «Controlled Power Technologies» (в настоящий момент вошла в состав подразделения силовых агрегатов компании «Valeo») в течение трех лет.

В отличие от турбонаддува, где центробежный нагнетатель приводят в действие выхлопные газы, или механического наддува, где нагнетатель связан с коленчатым валом двигателя, в системах с электрическим наддувом нагнетатель вращается электромотором. Обычно подобные системы являются комбинированными, так как использование электрического и турбонаддува совместно даёт существенный выигрыш, позволяя избежать турбоямы на низких оборотах двигателя.

Система электрического наддува «Controlled Power Technologies»
Она совмещает в одном устройстве электрический и турбонагнетатель.

Компания «Audi» недавно представила систему электрического наддува, работающую по схеме, отличной от схемы «Controlled Power Technologies». Система «Audi» (на рис. ниже) использует двойной наддув: обычная турбина работает на средних и высоких оборотах, а электрическая — на малых, исключая турбояму.

Система электрического наддува «Audi»

В «Audi» собираются снабдить электрическим наддувом собственные дизельные моторы. На заводе компании уже собран пробный образец трехлитрового V6 TDI с подобным двойным наддувом. В системе задействован компактный электродвигатель, способный быстро раскрутить турбину до высоких скоростей. Возникновение дополнительного потребителя никак не должно отразиться на общем уровне энергопотребления, так как потери на раскрутку турбины перекроются при помощи системы рекуперации.

Внимание к электрическому наддуву в последнее время проявляют также компании «Ricardo», «Ford» и «BMW». Последняя недавно получила патент на электротурбину собственной конструкции, а компания «Ford» работает совместно с «Controlled Powertrain Technologies» и «Valeo» над трёхцилиндровым двигателем «Hyboost» с электронаддувом. «Valeo» станет первым поставщиком комплектующих, который предложит на рынок целый спектр электрических нагнетателей.

На рынке тюнинга существуют и так называемые осевые электрические нагнетатели, которые, как правило, входят в систему динамического наддува (читайте ниже). Движение воздуха в них осуществляется в осевом направлении. Один или пара последовательных либо параллельных вентиляторов с электромоторчиком, будучи установленными в воздушном тракте, проталкивают воздух вдоль себя назад, в фильтр или уже после него во впускной коллектор. Если такая система преодолевает хотя бы сопротивление фильтрующих элементов, эффект уже неплохой.

Резонансный наддув (инерционный наддув)

Другое интересное решение, которое фактически не является искусственным методом нагнетания воздуха, — система резонансного наддува. Идея основана на том факте, что приходы волн сжатия к впускному клапану и волн разрежения к выпускному клапану способствуют продувке и очистке камеры сгорания от отработавших газов.

Система резонансного наддува

В первом случае нужно просто поймать волну сжатия, а именно так ведет себя воздух во впускном коллекторе при работе двигателя: чередование приливов и отливов. С изменением оборотов амплитуда этих колебаний меняется. И для того, чтобы поймать волну сжатия, необходимо менять длину впускного коллектора. Поначалу конструкторы пошли по довольно примитивному по смыслу, но довольно сложному по воплощению пути: несколько воздуховодов разной длины и клапана, открывающие тот или иной канал. В настоящее время эта идея нашла свое логическое воплощение в устройствах впускного коллектора переменной длины. Например, компания «BMW» применяет устройство, которое обеспечивает изменение длины впускного тракта. Разумеется, это не полноценная замена наддуву, но определенная выгода от этого есть. Давление наддува, создаваемое за счет колебаний напора воздушного потока, находится в диапазоне от 5 до 20 миллибар. Для сравнения: с помощью турбонаддува или механического наддува можно получить значения в диапазоне между 750 и 1200 миллибар. Плюсом системы резонансного наддува является то, что энергия мотора на ее привод практически не затрачивается.

Во втором случае энергию отработавших газов частично применяют для улучшения наддува двигателя, используя возникающие колебания их давления уже в выпускном трубопроводе. Использование колебаний давления состоит в том, что после открывания клапана в трубопроводе возникает ударная волна давления, со скоростью звука проходящая до открытого конца трубопровода, отражающаяся от него и возвращающаяся к клапану в виде волны разрежения. За время открытого состояния клапана волна может несколько раз пройти по трубопроводу. При этом важно, чтобы к фазе закрывания выпускного клапана к нему пришла волна разрежения, способствующая очистке цилиндра от отработавших газов и продувке его свежим воздухом. Каждое разветвление трубопровода создает препятствия на пути волн давления, поэтому наиболее выгодные условия использования колебаний давления создаются в случае индивидуальных трубопроводов от каждого цилиндра, имеющих равные длины на участке от головки цилиндра до объединения в общий трубопровод.

Внешняя скоростная характеристика
Внешняя скоростная характеристика двигателя гоночного автомобиля «Порше».

Скорость звука не зависит от частоты вращения двигателя, поэтому во всем ее диапазоне чередуются благоприятные и неблагоприятные с точки зрения наполнения и очистки цилиндров условия режима работы. На кривых мощности двигателя Ne и его среднего эффективного давления pe это проявляется в виде «горбов», что хорошо видно на рис. справа, где изображена внешняя скоростная характеристика двигателя гоночного автомобиля фирмы «Порше». Колебания давления используют также и во впускном трубопроводе: приход волны давления к впускному клапану, особенно в фазе его закрывания, способствует продувке и очистке камеры сгорания.

Если с общим выпускным трубопроводом соединяется несколько цилиндров двигателя, то число их должно быть не более трех, а чередование работы — равномерным с тем, чтобы выпуск отработавших газов из одного цилиндра не перекрывал и не влиял на процесс выпуска из другого. У рядного четырехцилиндрового двигателя два крайних цилиндра обычно объединяются в одну общую ветвь, а два средних цилиндра — в другую. У рядного шестицилиндрового двигателя эти ветви образованы соответственно тремя передними и тремя задними цилиндрами. Каждая из ветвей имеет самостоятельный вход в глушитель, или на некотором расстоянии от него ветви объединяются, и организуется их общий ввод в глушитель.

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 15.11.2012
Опубликовано 22.08.2010

Читайте также

  • Паровой двигатель

    За время своего развития паровые машины значительно усовершенствовались, поэтому на них было обращено внимание при поиске замены двигателя внутреннего сгорания.

Сноски

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

Комментарии

Система Anti-Lag от Porsche блестяще работает назад

Porsche применил турбонаддув для 911 Carrera, 718 Boxster и Cayman, но не хотел терять сверхчеткую реакцию своих безнаддувных двигателей. Предложенное им решение под названием Dynamic Boost невероятно умно - в отличие от типичной системы защиты от задержек, оно не сбрасывает лишнее топливо в двигатель, чтобы турбины продолжали работать. Джейсон Фенске из Инженерное объяснение разбирает это.

Обычно, когда вы отпускаете педаль газа, топливные форсунки прекращают подачу топлива и дроссельная заслонка закрывается.Турбокомпрессоры приводятся в действие выхлопными газами, и когда поток воздуха из выхлопных газов замедляется, турбины тоже замедляются. Когда вы снова включаете дроссельную заслонку и обороты снова увеличиваются, требуется определенное время, чтобы давление выхлопных газов увеличилось до уровня, достаточного для того, чтобы турбины вернулись к скорости. Мы называем это турбо-лагом.

3,0-литровый оппозитный шестицилиндровый двигатель с двойным турбонаддувом, используемый в 911 Carrera S.

. Порше

В Porsche с функцией Dynamic Boost при поднятии педали газа отключаются топливные форсунки, но дроссельная заслонка остается частично открытой.Это позволяет большему количеству воздуха проходить через двигатель, сохраняя поток выхлопных газов и вращая турбины даже во время замедления. Dynamic Boost не избавляет от турбо-лага полностью, но значительно сокращает время, необходимое для намотки турбонагнетателей.

Как и следовало ожидать, слегка приоткрытая дроссельная заслонка во время замедления меняет поведение автомобиля. В комментарии, добавленном к видео, Фенске объясняет, что эффект торможения двигателем уменьшается с помощью Dynamic Boost, хотя он говорит, что этот эффект не ощущается при нормальном вождении, а когда вы действительно ведете агрессивно (скажем, на трассе), вы: Вы все равно используете педаль тормоза, чтобы снизить скорость.Система Anti-lag всегда активна, но она более агрессивна, когда автомобиль находится в режиме Sport или Sport +.

Особенно хорошо в Dynamic Boost то, что он не требует дополнительного оборудования двигателя или сжигания топлива - все это контролируется системой управления двигателем. Это отличное решение большой проблемы для таких спортивных автомобилей, как 718 и 911.

Этот контент импортирован с YouTube. Вы можете найти тот же контент в другом формате или найти дополнительную информацию на их веб-сайте.

Обновление от 06.09.18, 13:30: Читатель указывает нам, что у Ford есть патент на аналогичную систему.

Этот контент создается и поддерживается третьей стороной и импортируется на эту страницу, чтобы помочь пользователям указать свои адреса электронной почты. Вы можете найти больше информации об этом и подобном контенте на сайте piano.io.

Motor Timing: Dynamic Timing («Boost»)

Какой малый смысл в этой статье мог бы быть для вас потерян, если вы не сначала прочтите о том, как работает статическое время («мигание»)!

Таким образом, установка временного опережения в мигание - это компромисс между эффективностью и сила, но что, если бы мы могли съесть свой торт и тоже? Помните график крутящего момента с низкой, средней и высокой синхронизацией:

Вы видите, где пересекаются линии, примерно на 7000 и 16000 об / мин? Что, если бы мы могли изменить время в этих точках? Вместо этого мы получили бы эту кривую крутящего момента:

Лучшее из трех! Как это отразится на кривой мощности?

Вот что такое динамическое время («ускорение»): отсутствие необходимости идти на компромисс. больше.Как будто этого было недостаточно, это может быть на более эффективным , работает охладитель мотора! Это потому, что при низких оборотах продвижение остается низким, что ближе к нейтральной плоскости, и когда оно поднимается, он движется выше, «следуя» за нейтральной плоскостью.

Эти несколько точек переключения времени довольно упрощены и похожи на то, что использовался в старых ESC, которые вводили динамическую синхронизацию. Эти старые ESC могли быть немного грубым (обратите внимание на «выемку» на кривой мощности, чуть выше 15000 об / мин), но современные регуляторы скорости более сложны, они могут применять опережение по времени постепенно и плавно, начиная и заканчивая в заранее заданных точках.

Это дает вам возможность поддерживать коммутацию близко к нейтрали. самолет, даже несмотря на то, что максимальное время опережения может быть очень большим. Для Например, сравните эти два, слева мигает с опережением по времени 50 °, а справа усилен на 50 ° окончательного временного опережения:

Оба они будут иметь схожие характеристики на высоких оборотах, но пока у Blinky чтобы «заплатить за это» на низких оборотах (работает неэффективно / горячее), усиленная установка может «сохранять прохладу» на низких оборотах, обеспечивая при этом большую мощность на всех оборотах диапазон.

Однако при настройке на максимальную мощность эта дополнительная эффективность используется для получения большей выходной мощности при той же (высокой) потребляемой мощности (а не меньшем вход для того же выхода), поэтому на практике тепло может быть похоже на мигание. В виде ну, при использовании высоких значений опережения тайминга, при правильных настройках старта / финиша может работать нормально, неправильные настройки могут вызвать сильный нагрев. Для Например, подача 60 ° при 25000 об / мин на графике выше будет близка к максимуму. эффективности, но если бы те же 60 ° применялись при 5000 об / мин, это было бы очень большая разница между коммутацией и нейтральной плоскостью, и будет очень горячий! Поэтому внимательно следите за температурой двигателя и ESC, особенно при использовании высоких значения опережения по времени.

Теоретически можно было бы использовать динамометр (называемый «динамометрический стенд», для короче), чтобы полностью протестировать двигатель, точно определите, где находится нейтральная плоскость на каждом RPM и запрограммируйте ESC для обеспечения наилучшего временного опережения на протяжении RPM. диапазон. Как объяснено в разделе "Эффективность и Власть, которая все равно оставит немного настройки выбора между эффективностью и мощностью.

Это означает, что теоретически, если у вас есть правильные настройки, вы можете не придется настраивать их для условий трассы или передачи, они будут просто оптимальными! Это не похоже на блинки, где разные скорости прохождения поворотов и переключения передач. на разных дорожках может потребоваться изменение пика мощности (путем регулировки синхронизация двигателя).

В каком-то смысле это намного проще, чем blinky: вы устанавливаете один раз, а оставляете!

Однако на практике есть несколько препятствий. Большинство гонщиков не проверяют свои двигатели на динамометрических стенах, мы делаем обоснованные предположения на основе времени круга и сравнения поведение в соответствии с прошлым опытом. Итак, вы не знаете , что такое нейтральный самолет делает, вы всего лишь угадываете , и вместо того, чтобы иметь только один циферблат (синхронизация двигателя), у вас есть несколько параметров (начальная / конечная частота вращения, максимальная опережение по времени, остальные настройки для «турбо»)…

Вдобавок ко всему, даже если у вас есть дино и вы знаете, что такое нейтральная плоскость. действительно работает на вашем моторе, как большинство регуляторов позволяют вам настроить опережение очень упрощенным способом, который может следовать только по линейной кривой (где кривая нейтральной плоскости является чем-то нелинейным), поэтому вы можете только аппроксимировать ее в любом случае.

Я думаю, что после того, как будет найдена хорошая настройка, она должна быть достаточно стабильной, с одного трека на другой. Так что в конечном итоге это может быть проще, но это Сложнее получить право в первую очередь.

К сожалению, из-за простоты этого объяснения кажется, что некоторое разнообразие в том, как настроены ESC. Один ESC, который я использовал, даже имел эти пять бодро простые (но не очень понятные) настройки: нет, низкий, средний, высокий, очень высокая. По сей день я понятия не имею, что это на самом деле .

У большинства есть два разных способа применения дополнительных таймингов, один из которых основан на на оборотах в минуту, а другой - на задержках. Способ RPM обычно называют «наддувом», и способ задержки часто называют «турбо».

Повышение

Это простейшая настройка. На большинстве регуляторов ускорение контролируется тремя настройки: начало оборотов, окончание оборотов и опережение по времени. Как это работает ESC изначально не применяет никаких дополнительных таймингов, но когда стартовые обороты достигается, он начинает постепенно добавлять время таким образом, что когда конечные обороты достигнуты, будет добавлено заданное временное опережение.Мимо закончить обороты, больше не будет добавлено время (во всяком случае, с помощью «ускорения», «турбо» может все еще добавляйте, как мы увидим позже).

Вот график, поясняющий это наглядно. Для сравнения, зеленым цветом обозначен синхронизация достигается путем установки 40 ° момента времени на концевом колесе двигателя в мигающем режиме. В красный: угол наклона мотора составляет 5 °, но в дополнение к этому, был установлен наддув с начальным числом оборотов 5000, конечным числом оборотов 25000 и опережение по времени на 45 °:

Это очень просто, поскольку полностью основано на RPM (что, кстати, это то, от чего зависит нейтральный самолет!), время или задержки не имеют никакого отношения к это: если вы разгоните двигатель до 15000 об / мин и оставите его там , время будет чуть ниже 28 °, пока вы поддерживаете это число оборотов в минуту.

Некоторые регуляторы скорости (в частности, LRP Flow) позволяют управлять повышением по-другому, где вы устанавливаете максимальное временное опережение, начальные обороты и «угол наддува». Этот последний параметр позволяет вам выбрать, сколько времени добавить для каждого фрагмента некоторых Обороты. В LRP Flow это на 1000 об / мин. Повышение работает точно так же В качестве способа начала / конца оборотов в минуту это всего лишь другой способ его настройки. Для Например, 2,5 ° / тыс. об / мин угла наддува, начиная с 5000 об / мин, достигнет 45 ° при 23000 об / мин. Об / мин (45 разделить на 2.5, умноженное на 1000, плюс начальная частота вращения 5000), что дает почти то же, что и на графике выше.

Несколько ESC могут позволить вам установить совершенно произвольную кривую временного опережения, используя ноутбук, который на самом деле может позволить вам программировать в оптимальное время заранее кривая, если бы вы тестировали свой мотор на динамометрическом стенде! Но я подозреваю, что если ты угадывая (как и большинство из нас), это было бы просто дополнительными сложностями напрасно много.

Турбо

Я упоминал, что продвижение нейтральной плоскости нелинейно, но усиление в большинстве ESC предлагает только линейное опережение по времени.Это означает, что если вы установите его правильно для высоких оборотов у вас может быть слишком большой временной сдвиг в среднем диапазоне, и если вы хорошо покрываете низкие и средние частоты, высоких частот не хватает. На здесь слева он установлен для низких и средних оборотов, справа он установлен для высоких оборотов:

Помните, что вам нужна наименьшая разница между коммутацией и временем вперед, так что вы видите, как слева, на высоких оборотах, все идет не так, а один справа хорош на верхнем конце, он довольно ужасен в середине.Его по форме красных и зеленых линий очевидно, что они просто не могут полностью матч…

В настоящее время ESC обрабатывают это с помощью так называемого «турбо» (название полностью маркетинговый, конечно!). Идея состоит в том, что приусадебный участок трассы более важно, и иметь лучшее время там более критично, но на прямо, это «просто вопрос» максимальной скорости, так что вы можете просто «хлопнуть» сроки. Прям, ну прям, можешь быть немного грубее и не такой плавно, пока вы набираете максимальную скорость!

Итак, мы настроим более прогрессивное «усиление» для низких и средних частот, и будет полагаться на более грубый механизм «турбо», чтобы получить верх на прямой.

Turbo имеет «триггер», основанный на некоторых условиях, которые зависят от ESC. Может быть, когда используется полный газ, когда достигается определенное число оборотов в минуту, или и то, и другое (когда используется полный газ, но только выше определенного числа оборотов). На некоторых регуляторах скорости вы можете выбирать, на других есть только один путь. Для тех, у кого есть RPM на основе триггер, иногда это конечная частота вращения настроек наддува, или это может быть отдельная установка. Пока этот триггер не сработал, turbo срабатывает. вообще ничего .

Как только условие триггера достигнуто, то, что он делает (опять же, на большинстве ESC), управляется тремя настройками: максимальное опережение по времени, задержка и поворот. В временное опережение является самым простым и представляет собой максимальное временное опережение.

Задержка - это начальная задержка между триггером и первым применением дополнительное опережение по времени. То есть при срабатывании турбо не будет что-нибудь за установленный промежуток времени. Это используется, чтобы он не сработал. средний угол, где дополнительная (или пониженная) мощность двигателя может изменить баланс автомобиля, но вы все равно хотите резко ускориться, нажав на полную мощность.

По истечении начальной задержки применяется опережение по времени в соответствии с поворот, который обычно устанавливается в «градусах за 0,1 секунды». Например, если вы установите 10 ° турбо с поворотом на 2 ° за 0,1 с, потребуется полсекунды, чтобы получить максимальное опережение на 10 °. Некоторые регуляторы ESC могут установить «поворот при деактивации», которые работают противоположным образом (как быстро происходит опережение турбо тайминга далеко).

Один общий источник путаницы заключается в том, как все это работает вместе, и Ответ действительно довольно прост: они складывают .Время двигателя (на endbell) всегда есть, Boost и Turbo работают независимо , и все они складываются в общее опережение по времени.

Например, если у вас 20 ° на двигателе, 35 ° наддува и 20 ° турбо, время, когда ваша машина находится в конце прямой, при условии, что двигатель набирает обороты выше конечного числа оборотов наддува, что турбо-режим все еще активен (что вы все еще полный газ или выше оборотов активации, или и то, и другое), и это достаточно времени пройдено для поворота, чтобы дать все ускорение турбо тайминга, у вас будет полные 75 ° тайминга!

Что лучше всего в этом по сравнению с блинки, так это то, что, хотя у вас будет 75 ° в сторону в конце прямой, вы можете иметь всего 20 ° при движении в поле.Если вы установите на двигателе 75 ° в мгновение ока, двигатель потратит большую часть его время работает очень неэффективно (так как вы были бы так далеко от скорости вращения, при которой точка переключения и нейтральная плоскость близко друг к другу)… И дым скоро выйдет из этого!

Часто упускают из виду то, что при использовании ускорения фиксированное опережение сам двигатель должен быть достаточно низким, а опережение времени ESC (ускорение и турбо) должны делать большую часть работы. Высокий фиксированный тайминг - компромисс. ответьте, какого буста именно нужно избегать!

Как я упоминал ранее, как только для данного двигателя найдены хорошие настройки наддува, он должен работать на любой гусенице или передаче.На практике разные ситуации могут разоблачить, что необходима дополнительная тонкая настройка, но настройки должны переноситься от трека к треку без особых изменений.

С другой стороны,

Turbo сложнее. Выбор настроек триггера определенно меняются в зависимости от трассы, особенно в отношении характеристик прямая линия, будь то перед ней медленный крутой поворот (с низкими оборотами потребуется немного больше времени для создания резервной копии), или приближается ли он быстрым поворотом (где можно было бы использовать меньшую задержку, так как обороты были бы выше), и так далее.

Поворот также затруднен, потому что вы пытаетесь соответствовать нейтральной плоскости. кривая, основанная на частоте вращения, с поправкой на время. Слишком быстро время подъема может обеспечить мощность, на которую рассчитывали от турбо, но при слишком большом затраты на эффективность, вызывая избыточное тепло. Длина прямой может также позволяют использовать больше максимального времени, чем более короткое.

Gearing также может входить в него, как более высокая передача (более высокий выпуск, более низкий FDR) например, скорость нарастания оборотов будет немного медленнее, поэтому более плавный поворот будет более подходящий.

В режиме ускорения может работать двигатель и охладитель ESC с аналогичная мощность при правильной настройке, помните, что более высокие значения времени могут означают намного больше тепла, если они не применяются на правильных оборотах, поэтому мониторинг тепло даже важнее, чем в блинки.

Турбокомпрессоры с фиксированной геометрией

Турбокомпрессоры с фиксированной геометрией

Hannu Jääskeläinen

Это предварительный просмотр статьи, ограниченный некоторым исходным содержанием. Для полного доступа требуется подписка DieselNet.
Пожалуйста, войдите в систему , чтобы просмотреть полную версию этого документа.

Abstract : В простейшей конструкции турбокомпрессора геометрия турбины и компрессора является фиксированной, а давление наддува полностью определяется потоком выхлопных газов. Байпас на стороне выпуска, или перепускная заслонка, является обычным средством достижения лучшего контроля давления наддува с турбинами с фиксированной геометрией. Перепускная заслонка может быть встроена в турбину со стороны турбокомпрессора или может быть отдельным клапаном, подключенным к внешнему водопроводу.Пневматическое срабатывание перепускной заслонки под давлением было обычным явлением, но вакуумное срабатывание и электрическое срабатывание используются во многих новых конструкциях.

Введение

Самая простая конструкция турбокомпрессора с точки зрения управления - это тот, у которого геометрия турбины и компрессора фиксирована и в котором не используются средства для управления давлением наддува. Давление наддува, обеспечиваемое турбонагнетателем этого типа, полностью определяется потоком выхлопных газов двигателя и характеристиками турбонагнетателя. Турбокомпрессор оптимизирован для конкретных условий эксплуатации.Размер турбины турбонагнетателя и / или отношение A / R обычно относительно велики для данного применения из-за необходимости такого размера турбокомпрессора, чтобы в условиях наибольшего расхода турбокомпрессор не превышал скорость или не создавал чрезмерного давления наддува. В то время как давление наддува, близкое к номинальному, можно выбрать с помощью выбора размера турбокомпрессора, переходные характеристики и давление наддува при более низких оборотах двигателя могут пострадать. Кроме того, на больших высотах частота вращения турбонагнетателя будет иметь тенденцию к увеличению, что может привести к проблемам с помпажем и / или превышением частоты вращения турбонагнетателя, если это не связано с увеличением размера турбонагнетателя.Однако для некоторых применений двигателей, работающих в основном в ограниченном количестве установившихся режимов, неуправляемый турбокомпрессор с турбиной с фиксированной геометрией может оказаться вполне удовлетворительным.

Для приложений, которые испытывают широкий диапазон рабочих условий и которые должны обеспечивать хороший динамический отклик, например, в легковых автомобилях, турбокомпрессор с фиксированной геометрией без контроля давления наддува не подходит. Для управления давлением наддува для турбонагнетателей с турбинами с фиксированной геометрией в этих приложениях можно использовать два метода:

  • Обводной канал на стороне выпуска , также известный как перепускной клапан , для обхода части потока на входе в турбину, или
  • Байпас на стороне входа для байпаса потока от входа компрессора.

Выпускной Байпас (Wastegate)

Добавление байпасного клапана, который позволяет части выхлопных газов обходить турбину, является более распространенным средством достижения лучшего контроля давления наддува с турбинами с фиксированной геометрией. В большинстве случаев это позволяет использовать турбину с фиксированной геометрией меньшего размера или с меньшим соотношением A / R, которая может обеспечивать большую мощность компрессора при меньших расходах выхлопных газов, Рис. Переходная характеристика также значительно улучшена из-за улучшенной низкой эффективности потока, а также более низкой инерции вращения турбокомпрессора.

На рисунке 1 синяя линия представляет турбокомпрессор с турбиной с фиксированной геометрией, а красная линия представляет собой турбокомпрессор с турбиной меньшего размера с фиксированной геометрией. Ни одна из турбин с фиксированной геометрией не имеет перепускного клапана. Обратите внимание, что турбокомпрессор с турбиной меньшего размера будет иметь превышение скорости и ускорение двигателя при относительно низких оборотах двигателя. Добавление перепускной заслонки к турбокомпрессору с турбиной меньшего размера может значительно улучшить наддув на более низких оборотах двигателя, избегая при этом избыточного разгона и превышения скорости турбокомпрессора на высоких оборотах.Количество улучшений зависит от того, насколько хорошо контролируется перепускной клапан.

Рисунок 1 . Влияние размера турбины и перепускного клапана на давление наддува и скорость турбонагнетателя

(Источник: Cummins Turbo Technologies)

На рисунке 2 показан другой пример, но с точки зрения карты компрессоров. Показаны характеристики наддува при полной нагрузке с фиксированной геометрией и турбонагнетателем, управляемым перепускным клапаном. Каждая турбина рассчитана на то, чтобы обеспечить двигателю одинаковое давление наддува, массовый расход всасываемого воздуха и скорость вращения при номинальной мощности.Турбина с фиксированной геометрией без байпаса должна быть способна обрабатывать весь поток выхлопных газов при номинальной мощности и имеет тенденцию обеспечивать меньшее давление наддува при более низких условиях воздушного потока двигателя. Преимущество возможности использования турбины меньшего размера / более низкого отношения A / R с перепускным клапаном очевидно. Следует отметить, что, поскольку частота вращения турбонагнетателя при максимальном расходе для всех случаев одинакова, степень сжатия на высоких оборотах двигателя на турбине с перепускным клапаном и, следовательно, насосные потери двигателя должны быть выше, чем для турбины с фиксированной геометрией без перепускного клапана. [2538] .

Рисунок 2 . Характеристики разгона при полной нагрузке с двумя различными вариантами турбины

###

Внутри Mazda Skyactiv 2.5T Turbo Engine

Со своим новейшим двигателем Skyactiv Mazda пытается изменить то, как люди говорят о мощности двигателя. Выпуская новый 2,5-литровый четырехцилиндровый двигатель с турбонаддувом мощностью 250 л.с. в обновленном CX-9 2016 года, бренд, обещающий зум-зум, подчеркивает две вещи: большой крутящий момент и реальную экономию топлива.

«Вместо лошадиных сил мы хотим, чтобы люди начали ссылаться на крутящий момент», - говорит Тим ​​Барнс, руководитель отдела планирования продукции в Северной Америке.

Просмотреть все 57 фото

Mazda уже думает об этом, разрабатывая свои двигатели с учетом отзывчивости, и это достигается за счет большого крутящего момента на ранних этапах диапазона оборотов - в конце концов, исследования компании показали, что большинство людей не часто толкают свои двигатели. после 3000 об / мин. Удержание низких оборотов также помогает экономить топливо, особенно на испытательных циклах EPA. Проблема в том, что водители не всегда видят в реальном вождении такую ​​же эффективность, как у тестеров EPA, поэтому Mazda установила все свои целевые показатели потребления в соответствии с привычками вождения реальных клиентов, которые не ездят на динамометре в лаборатории. .

Итак, как же новому двигателю Mazda удается выдавать 310 фунт-фут крутящего момента всего лишь при 2000 об / мин и обеспечивать, по заявлению компании, лучшую в своем классе экономию топлива? Мы поговорили с Mazda, чтобы выяснить это.

Просмотреть все 57 фотографий

Меньший рабочий объем плюс турбонаддув


Mazda планировала с самого начала разработки своего семейства двигателей Skyactiv построить четырехцилиндровый двигатель с турбонаддувом из-за некоторых основных преимуществ перед V-6. Во-первых, меньший двигатель весит меньше, в этом случае экономия около 150 фунтов по сравнению с исходящими 3 CX-9.7-литровый шестицилиндровый. И хотя турбодвигатель не может иметь сверхвысокой степени сжатия атмосферных двигателей Mazda Skyactiv, он может похвастаться в 1,6 раза меньшими механическими потерями в результате меньшего внутреннего трения. Меньшие двигатели также, как правило, дешевле в сборке, что имеет решающее значение, когда вы работаете с дорогими технологиями, такими как прямой впрыск и изменение фаз газораспределения.

Турбонаддув позволяет 2,5-литровому четырехцилиндровому двигателю создавать намного больше мощности и крутящего момента, но у него есть свои недостатки.Один из них - турбо-лаг. Двигатели с форсированным двигателем также хуже работают на высоких оборотах и ​​высокой нагрузке, поскольку двигатель вынужден работать на богатой смеси, чтобы снизить температуру и предотвратить повреждение внутренних компонентов. Это, конечно, трата топлива. Итак, Mazda использует несколько уловок для борьбы с турбо-лагом и предотвращения обогащения топлива в цилиндрах.

Просмотреть все 57 фотографий

Турбонаддув с регулируемым соплом


Mazda называет свой турбонаддув с регулируемым соплом технологией Dynamic Pressure Turbo. Изменяя и стратегически направляя количество выхлопных импульсов, используемых для запуска турбонагнетателя, 2.5-литровый двигатель Skyactiv-G быстрее раскручивается на низких оборотах. Этот метод работает путем направления отработанного воздуха в турбину через три меньших выпускных отверстия на низких оборотах, быстро создавая давление наддува до 17,4 фунтов на квадратный дюйм. Три порта большего размера открываются через клапан управления потоком при повышении оборотов. Mazda описывает эту идею как наложение большого пальца на работающий садовый шланг, чтобы ограничить поток воды и увеличить силу потока, тем самым быстрее разматывая турбонагнетатель.

Отражая то, как Mazda верит в вождение большинства людей, новый двигатель рассчитан на то, чтобы большую часть срока службы вращать со скоростью менее 3000 об / мин.Предлагая такой мгновенный крутящий момент на нижнем пределе диапазона оборотов, двигатель имеет достаточно шума, чтобы шестиступенчатой ​​автоматической коробке передач не приходилось часто переключаться на пониженную передачу. Это не только экономит топливо, но и способствует более быстрой подаче мощности при маневрах, таких как обгон по шоссе.

Чтобы турбонаддув был не только отзывчивым, но и эффективным, выхлопные отверстия настроены чрезвычайно умно. Это выхлоп 4-3-1, что означает, что два средних цилиндра имеют общий выпускной канал, в то время как каждый внешний цилиндр имеет свое собственное.Это также означает, что порты втягиваются друг в друга между импульсами, помогая всасывать остаточный выхлоп из соседних портов для максимальной вытяжки. Mazda описывает это как ту же философию, что и распылитель краски, когда поток воздуха проходит через поток краски и всасывает его во время поездки.

Просмотреть все 57 фотографий

Система рециркуляции отработавших газов с охлаждением


Mazda также использует особый метод, который редко встречается в легковых автомобилях с газовым двигателем, для снижения температуры двигателя при высокой нагрузке для предотвращения обогащения топлива - охлаждаемой системы рециркуляции отработавших газов.Благодаря использованию специального (и довольно дорогого) модуля для охлаждения выхлопных газов, рециркулирующих через турбонагнетатель, двигатель может снизить внутреннее тепло и, таким образом, поддерживать впечатляющую степень сжатия 10: 5: 1. Но потребители увидят преимущества в большей степени, чем испытательная лаборатория Агентства по охране окружающей среды, заявила Mazda.

«Без охлаждаемой системы рециркуляции отработавших газов двигатель не смог бы обеспечить реальную экономию топлива, которую мы хотим обеспечить клиентам», - сказал инженер по исследованиям и разработкам Стэн Хортинела. «И этот компонент, который стоит недешево, не меняет ни на йоту нашего рейтинга оконных наклеек.Это делается исключительно для того, чтобы люди получали ту эффективность, которую они ожидают от рейтинга ». Это также предотвращает чрезмерное повышение внутренней температуры и повреждение двигателя.

3,7-литровый V-6 в старом CX-9 был оценен EPA на 17 миль на галлон в городе и на 24 мили на галлон на шоссе, и Mazda заявляет, что ожидает прироста около 20 процентов для этого нового двигателя.Когда рейтинги будут окончательно определены, очень вероятно, что Mazda CX-9 2016 года сможет получить 30 миль на галлон на шоссе.

Просмотреть все 57 фото

Другие приложения... Mazdaspeed3 кто-нибудь?


Mazda всю неделю уклонялась от вопросов на шоу в Лос-Анджелесе о том, где еще мы увидим этот новый двигатель в будущем. Снова и снова поднималась тема следующей Mazdaspeed3, но Mazda отказывалась комментировать будущие продукты, несмотря на непрекращающийся шквал со стороны журналистов. Наиболее близким к подтверждению мы получили подтверждение от инженера-разработчика Дэйва Колмана, который сказал, что, хотя он не будет комментировать будущие продукты, «просто помните, что мы - бренд для энтузиастов»."

Уходящая Mazdaspeed3 также имела четырехцилиндровый двигатель с турбонаддувом, объемом 2,3 литра, мощностью 263 л.с. и крутящим моментом 280 фунт-фут. Мы предполагаем, что не потребуется много времени, чтобы установить больший турбонагнетатель на 2,5-литровый и настраивайте его для удовольствия и производительности, а не для экономии топлива. В конце концов, мы давно слышим слухи о возрождении Speed3 с турбонаддувом.

Просмотреть все 57 фотографий

Двигатели с турбонаддувом: повышение или снижение расхода топлива?

Из июньского выпуска 2018 года
Вы слышали эту гипотезу раньше: автомобили с турбонаддувом не соответствуют заявленным показателям экономии топлива чаще и с большей маржой, чем автомобили без наддува.Это понятие повторяется так часто, что консенсусом оно приближается к истине, возможно, потому, что оно так легко согласуется с интуитивным объяснением: малолитражные двигатели с турбонаддувом могут быть скупыми на плавных ездовых циклах Агентства по охране окружающей среды, но не отставать от движения в реальных условиях. мир требует намотки компрессора и откупоривания топливных форсунок.

Это теория. Это тест.

Чтобы решить этот вопрос раз и навсегда, мы добыли два набора данных, полученных с 730 реальных приводов автомобилей с турбонаддувом и без наддува.Первая база данных включала 340 автомобилей из теста экономии топлива на шоссе Car and Driver , 200-мильного межгосударственного пробега со средней скоростью 75 миль в час. Анализ реальной экономии топлива каждого транспортного средства в процентах от рейтинга шоссе EPA показывает, что распространенное мнение на самом деле не соответствует действительности, по крайней мере, когда речь идет о расходе топлива на шоссе. Данные показывают, что в среднем 193 автомобиля с турбонаддувом, которые мы отобрали, фактически превзошли наклейки на окнах на 3,1 процента. Безнаддувные модели показали худшие результаты, лишь в среднем соответствуя своим этикеткам.Половина автомобилей со свободным дыханием превзошла свои показатели EPA, в то время как другая половина оказалась хуже, чем указано на этикетке. Среди моделей с турбонаддувом 65% возглавили рейтинги EPA для шоссе.

Автомобиль и водитель

Конечно, круизы по шоссе с постоянной скоростью и малой нагрузкой сочетают в себе сильные стороны новых уменьшенных и форсированных двигателей, которые потребляют топливо, в то время как турбо дремлет. Чтобы увидеть, могут ли форсированные двигатели выдерживать более динамичное вождение, мы стали сотрудничать с Emissions Analytics, независимой испытательной группой, которая публикует в США свой реальный индекс экономии топлива и выбросов EQUA.EQUAIndex.com. Компания использует портативную систему измерения выбросов для отбора проб выхлопных газов автомобиля и определения экономии топлива. Его 88-мильный тестовый цикл в Южной Калифорнии включает в себя вождение как по городу, так и по шоссе. В качестве прогноза для анализа выбросов используется комбинированный рейтинг пробега транспортного средства EPA.

Проведенное компанией 390 испытаний автомобилей с турбонаддувом и без наддува показывает, что тенденция, отмеченная в данных по экономии топлива на шоссе C / D , применима и здесь. Согласно результатам тестирования Emissions Analytics, автомобили с турбонаддувом превосходят свои ярлыки EPA в среднем с небольшим отрывом (0.6 процентов), и они также показали себя лучше, чем модели без усиления, которые не достигли своих оценок EPA в среднем на 2,3 процента. Поезда с остановками тормозили двигатели с турбонаддувом, но то же самое происходило и с безнаддувными трансмиссиями.

Вывод? В больших объемах автомобили с турбонаддувом соответствуют своим этикеткам по экономии топлива. И в реальном мире они страдают не больше, чем безнаддувные автомобили. Тем не менее, существуют сотни автомобилей с турбонаддувом и без него, которые превышают или отстают от официальных показателей экономии топлива - некоторые на 20 процентов.Эти данные в значительной степени подтверждают методологию экономии топлива EPA, но они еще более подтверждают старую аксиому: ваш пробег может отличаться.

    Этот контент создается и поддерживается третьей стороной и импортируется на эту страницу, чтобы помочь пользователям указать свои адреса электронной почты. Вы можете найти больше информации об этом и подобном контенте на сайте piano.io.

    Исследование стратегии замкнутого цикла управления давлением наддува в дизельных двигателях с регулируемой двухступенчатой ​​системой наддува

    Образец цитирования: Li, H., Ши, Л., Цуй, Ю., Цяо, X. и др., «Исследование стратегии замкнутого цикла управления давлением наддува в дизельных двигателях с регулируемой двухступенчатой ​​системой наддува», Технический доклад SAE 2015-01- 1986, 2015, https://doi.org/10.4271/2015-01-1986.
    Загрузить Citation

    Автор (ы): Хуалей Ли, Лэй Ши, И Цуй, Синьци Цяо, Канъяо Дэн, Бо Лю, Ронг Джин

    Филиал: Shanghai Jiao Tong Univ., Шанхайский университет Цзяотун, China Shipbuilding Power Engineering Institute Co., Ltd., Национальная ключевая лаборатория технологий турбонаддува дизельных двигателей.

    Страниц: 12

    Событие: JSAE / SAE 2015 Международная встреча по силовым агрегатам, топливу и смазочным материалам

    ISSN: 0148-7191

    e-ISSN: 2688-3627

    Porsche 911 Turbo S - Porsche USA

    Porsche Wet mode.¹

    Используя датчики в арке переднего колеса, система обнаруживает скопившуюся водяную струю, тем самым оценивая влажное дорожное покрытие. Если он обнаруживает заметно мокрую поверхность дороги, поведение срабатывания PSM и PTM подготавливается соответствующим образом. Система информирует водителя об обнаруженной влажности и рекомендует вручную переключиться в режим Wet. Если водитель активирует это, регулируются PSM, PTM, аэродинамика, PTV Plus и отзывчивость трансмиссии.

    Предупреждение и вспомогательное торможение.

    Стандартные функции предупреждения и экстренного торможения могут снизить риск столкновения с транспортными средствами, пешеходами и велосипедистами в пределах системы. На первом этапе система использует переднюю камеру для звукового и визуального оповещения водителя при обнаружении транспортных средств, пешеходов или велосипедистов в зоне столкновения.

    Адаптивный круиз-контроль (ACC).

    Там, где системные ограничения позволяют, система полностью независимо регулирует скорость вашего 911 Turbo в соответствии со скоростью впереди идущего автомобиля.Радарный датчик в передней панели контролирует пространство перед вашим автомобилем. Если вы выбрали крейсерскую скорость и начинаете приближаться к другому транспортному средству, которое движется по той же полосе, что и вы, и которое движется медленнее, система замедляет двигатель или мягко тормозит.

    Porsche InnoDrive с адаптивным круиз-контролем (ACC) .¹

    Porsche InnoDrive расширяет диапазон функций системы адаптивного круиз-контроля (ACC) за счет упреждающего контроля скорости до 1,8 миль.На основе высокоточных навигационных данных, а также технологий радара и видеодатчиков в автомобиле Porsche InnoDrive может обнаруживать ограничения скорости и курс дороги - еще до того, как ваш 911 Turbo даже достигнет их.

    Вкратце: Porsche InnoDrive представляет типичную для Porsche реализацию эффективного вождения - для большего комфорта и большего удовольствия от вождения.

    Система удержания полосы движения (LKA), включая распознавание дорожных знаков.

    Система удержания полосы движения (LKA) использует камеру для обнаружения разметки разделительной линии там, где это позволяют системные ограничения.Система поддерживает водителя с помощью рулевого управления, когда транспортное средство приближается к обнаруженной разметке разделительной линии и угрожает покинуть полосу движения, тем самым помогая удерживать автомобиль на правильном пути. Встроенное распознавание дорожных знаков использует изображения с камеры и навигационные данные для определения ограничений скорости, зон запрета обгона и косвенной информации, такой как пограничные знаки, и отображает их на приборной панели.

    Ассистент смены полосы движения с ассистентом поворота.

    В рамках системы система помощи при смене полосы движения использует радарную технологию для наблюдения за зоной позади вашего 911 Turbo и слепыми зонами.Если система обнаруживает, что транспортное средство быстро приближается сзади или находится в слепой зоне, и смена полосы движения была бы слишком опасной, она информирует водителя с помощью визуального сигнала в наружных зеркалах. Для большего комфорта и безопасности, особенно на автомагистрали. Система помощи при повороте (сзади) также помогает водителю, контролируя зону позади автомобиля при поворотах.

    Ассистент ночного видения.

    Night Vision Assist предоставляет информацию при движении ночью, даже за пределами диапазона фар в пределах системы.