Наддув двигателя внутреннего сгорания
Наддув применительно к двигателю внутреннего сгорания (ДВС) — это способ увеличение количества подаваемой в цилиндры горючей смеси посредством повышения давления воздуха на впуске. Таким образом, наддув — это один из способов форсирования двигателя.
В автомобилестроении наддув начали использовать, когда конструкторы определили важнейшее направление развития автомобильных двигателей — достижение высокой удельной мощности при возможно меньших габаритах силовой установки.
Мощность ДВС прямо пропорциональна количеству смеси воздуха и топлива, которая попадает в его цилиндры. Можно повысить мощность двигателя, не увеличивая его размеры, оснастив его наддувом. Использование наддува позволяет кардинально увеличить мощность двигателя. Например, без особых ухищрений использование наддува позволяет получить прибавку мощности в 25 %, а с оснащением интеркулером ее можно даже удвоить. При этом другие методы (повышение степени сжатия, доработка головки блока для увеличения продувки и объема воздуха в цилиндрах) обеспечивают возможность поднять мощность только на 10-20%.
Для осуществления наддува двигатель необходимо оснастить компрессором. В ДВС в системе наддува применяют различные типы этих устройств. На сегодняшний день существуют, как минимум, три типа нагнетателей:
1. Механический компрессор.
2. Турбонагнетатель, работающий от выхлопных газов.
3. Электрический, за которым, по мнению специалистов, будущее.
Компрессор с механическим приводом
Первыми нагнетателями, которые появились на автомобильном двигателе, были механические нагнетатели типа «Рутс» («Roots»).
Затем, в 1885 г. известный изобретатель Готтлиб Даймлер запатентовал нагнетатель, который работал по принципу устройства братьев Рутс. В 1902 г. француз Луис Рено патентует центробежный компрессор.
Устройство механического компрессора довольно простое. К двигателю автомобиля посредством ременной передачи подсоединяют компрессор. Вращение на него передается от коленчатого вала. Предельная частота вращения такого агрегата — 18 — 20 тыс.
об. в минуту.
Конструктивно механические нагнетатели бывают двух типов:
— винтовые;
— центробежные.
Центробежные нагнетатели с механическим приводом пользуются спросом как элемент тюнинга.
Автор идеи винтового компрессора — немец Кригар. Именно он в конце XIX века предложил использовать устройства подобного рода. А приоритет по изготовлению в 1936 г. первого винтового нагнетателя принадлежит шведскому инженеру Альфу Лисхольму. На сегодня компрессоры Лисхольм — самый совершенный и эффективный тип нагнетателя.
Преимущества механических компрессоров:
— надежность и простота конструкции;
— практически не ограниченный ресурс;
— требует минимум ухода;
— отсутствие «турбоямы»;
— увеличение мощности на 5 — 10 %;
— при работе нет высокого нагрева.
Недостатки:
— низкая производительность;
— большие габариты;
— шумность работы.
В настоящее время механические компрессоры применяются крайне редко и считаются устаревшей конструкцией.
Информация. Турбояма (турболаг) – недостаток функционирования турбированного двигателя в связи с инерционностью турбокомпрессора. На практике выражается в задержке увеличения мощности при необходимости ускорения автомобиля (например, при обгоне). Т. е. при резком нажатии на педаль газа ускорение автомобиля происходит с некоторой задержкой.
Классика жанра, или турбокомпрессор
В настоящее время — самый широко применяемый тип компрессора. Работает на отработавших газах ДВС.
Первым описал и запатентовал в 1911 году принцип работы турбокомпрессора, использующего энергию выхлопных газов, изобретатель из Швейцарии Альфред Бюхи.
Производительность устройства поражает воображение. Частота вращения вала может достигать 200 тыс. об. в минуту.
Принцип работы очень прост. Отработавшие газы под давлением подаются на крыльчатку турбины и раскручивают ее. На одном валу с турбиной вращается компрессорное колесо, которое и нагнетает воздух в цилиндры двигателя.
Основных проблем такого устройства — две.
Первая связана с высокими температурами, которые серьезно ограничивают ресурс агрегата.
Вторая — поскольку подшипники вала требуют смазывания моторным маслом, это влечет за собой его расход.
Преимущества:
— высокая производительность;
— отсутствует соединение с двигателем;
— в связи с широким распространением таких компрессоров хорошее обеспечение запчастями.
Недостатки:
— относительно малый ресурс;
— жесткий температурный режим;
— расход масла на угар;
— высокие требования к качеству топлива и масла:
— наличие эффекта «турбоямы».
То есть главное преимущество турбокомпрессора — высокая производительность сопровождается рядом проблем, которые, впрочем, крупные концерны научились решать.
Пример: турбокомпрессор JP Group (Дания) 4317400100, OE 7701472228 Рено Трафик II / Опель Виваро 03.01- для 1.9 dCi.
Электронагнетатель
Устройство такого типа еще называют электротурбиной.
Это самая новая и перспективная разработка конструкторов. Самые известные автопроизводители (Мерседес-Бенц, БМВ и Фольксваген) уже заявили, что буквально через несколько лет на их авто будут устанавливаться исключительно электротурбины!
В чем же феномен этой конструкции? Она удачно соединила в себе преимущества нагнетателей первого и второго вида. То есть это компрессор, но он демонстрирует очень высокую производительность.
Принцип работы
Электротурбина представляет собой мощный электродвигатель, работающий с частотой вращения не менее 200 – 300 тыс.
Такой компрессор не зависит ни от коленвала, ни от выхлопных газов. Ресурс электрического двигателя неисчерпаем.
На сегодняшний день остается один существенный недостаток — такой компрессор потребляет слишком много электричества. Штатный электрогенератор с такой нагрузкой не справляется. Пока вопрос остается открытым, но решение не за горами.
Преимущества электротурбины:
— высокая производительность;
— простота установки, не требуется устройства привода или подвода отработавших газов;
— удобство монтажа, может располагаться в любом месте в моторном отсеке;
— отсутствие «турбоямы»;
— высокие ресурсные показатели;
— дешевизна изготовления.
Недостатки:
— высокое энергопотребление.
Специалисты считают, что будущее именно за электро турбинами.
Практическое применение электро турбины — система электронаддува «Controlled Power Technologies», совмещающая в одном устройстве электро- и турбонагнетатель.
НАДДУВ — это… Что такое НАДДУВ?
Наддув — Наддув увеличение количества свежего заряда горючей смеси, подаваемой в двигатель внутреннего сгорания, за счёт повышения давления при впуске. Наддув обычно применяют с целью повышения мощности (на 20 45 %) без увеличения массы и… … Википедия
НАДДУВ — 1) увеличение количества свежего заряда горючей смеси в цилиндре поршневого двигателя за счет повышения давления при впуске; один из способов повышения мощности двигателя.2) Искусственное повышение давления газа в замкнутом пространстве (напр., в … Большой Энциклопедический словарь
НАДДУВ
наддув — – способ подачи горючки в камеру сгорания.
EdwART. Словарь автомобильного жаргона, 2009 … Автомобильный словарь
наддув — — [А.С.Гольдберг. Англо русский энергетический словарь. 2006 г.] Тематики энергетика в целом EN supercharging … Справочник технического переводчика
НАДДУВ — (1) способ повышения мощности поршневых двигателей внутреннего сгорания путём увеличения массы воздуха, поступающего вместе с топливом в цилиндры вследствие повышения давления компрессором при впуске; (2) искусственное увеличение давления газа в… … Большая политехническая энциклопедия
наддув — 3.13 наддув: Обеспечение защиты от проникновения внешней среды в оболочку путем поддержания в ней давления защитного газа выше давления во внешней среде. Источник: ГОСТ Р 51330.3 99: Электрооборудование взрывозащи … Словарь-справочник терминов нормативно-технической документации
наддув — а; м. Спец. Усиление подачи горючей смеси в двигатель внутреннего сгорания за счёт повышения давления воздуха при впуске.
Двигатель с наддувом. * * * наддув 1) увеличение количества свежего заряда горючей смеси, подаваемой в цилиндр поршневого… … Энциклопедический словарь
наддув — oro įpūtimas statusas T sritis Energetika apibrėžtis Į vidaus degimo variklį tiekiamo degiojo mišinio kiekio didinimas, didinant šio mišinio slėgį. atitikmenys: angl. air blast vok. Lufteinblasen, n rus. вдувание воздуха, n; наддув, m pranc.… … Aiškinamasis šiluminės ir branduolinės technikos terminų žodynas
Наддув — увеличение количества свежего заряда горючей смеси, подаваемой в Двигатель внутреннего сгорания, за счёт повышения давления при впуске. Н. обычно применяется с целью повышения мощности (на 20 45%) без увеличения массы и габаритов… … Большая советская энциклопедия
Наддув — м. Питание цилиндров поршневых двигателей машины воздухом, давление которого выше атмосферного. Толковый словарь Ефремовой. Т. Ф. Ефремова.
2000 … Современный толковый словарь русского языка Ефремовой
Избыточное давление. Всё про наддув
Наддув — самый доступный и простой способ увеличить мощность двигателя внутреннего сгорания. Теория проста: чтобы выросла отдача, нужно сжечь как можно больше топлива. Но для его горения необходим ещё и воздух. И если «налить» в цилиндры сколько угодно топлива проще простого (качай себе и качай мощным насосом), то с воздухом дело обстоит сложнее — для него тоже нужен своеобразный насос. И роль такого агрегата в двигателях играют нагнетатели. Вне зависимости от его типа, оснащённый наддувом двигатель обладает большей мощностью и крутящим моментом, чем аналогичный атмосферник. Почему это возможно, какие существуют конструкции и какие побочные эффекты имеет наддув? Рассказываем в нашей справке по современным системам.
История наддува
Впервые техническая идея загнать в автомобильный двигатель больше воздуха с помощью энергии вращения коленвала пришла в голову Готтлибу Даймлеру в 1885 году, а в 1905 году швейцарец Альфред Бюхи получил патент на аналогичную систему, работающую уже от энергии выхлопных газов.
Но до реализации этих решений в автомобилях прошло некоторое время — первый серийный легковой автомобиль «наддули» с помощью приводного нагнетателя в 1921 году — им стал Mercedes-Benz. Турбонагнетатели же стали получать распространение в авиационных двигателях 1920-х годов, так как там было особенно важно справляться с потерей мощности по мере набора высоты, где плотность воздуха становится меньше. Вскоре газовые нагнетатели нашли своё применение и в грузоперевозках — прибавка в крутящем моменте оказалась для дизелей судов и локомотивов очень кстати. Первой легковушкой с турбонагнетателем под капотом стало купе-хардтоп Oldsmobile Jetfire с 215-сильным V8.
Точно такой же мотор Oldsmobile без турбины выдавал в то время 155-195 сил в зависимости от степени форсировки. Но важнее другое: тяга даже 195-сильного атмосферника ограничивалась 300 Н·м, тогда как турбокупе выдавало все 410. Если у атмосферных моторов существует практически прямая зависимость между объёмом камеры сгорания и максимальным крутящим моментом, то наддувные агрегаты такого недостатка лишены — по-разному конфигурируя систему, инженеры могут добиваться очень впечатляющей прибавки тяги при неизменном объёме
Вскоре турбина появилась и на Chevrolet Corvair Corsa (расположенный сзади 6-цилиндровый оппозитник воздушного охлаждения с наддувом был лишь одним из необычных технических решений этой экзотической машины), а после подоспели и европейцы в лице Porsche (911 Turbo в 1975 году) и Saab (99 Turbo 1978 года).
А вот с наддувным дизельным седаном всех опередил производитель из Старого Света — в 1978 году появилась версия 300SD лимузина Mercedes-Benz W116. Вскоре дизельные автомобили приобрели в Европе огромную популярность, а турбонаддув стал неотъемлемой частью конструкции легкового дизеля. Существуют и грузовые дизели с приводными нагнетателями, но по ряду технологических причин эта схема не получила широкого распространения в автомобилестроении.
Какие существуют виды наддува
Избыточное давление, которое создаёт нагнетатель, потому так и называется, что оно больше окружающего нас атмосферного. Иногда давление наддува указывается в абсолютных величинах: в таком случае рабочее пиковое давление системы в 1,6 бара будет означать 0,6 бара избытка. Чаще всего в разговорах и литературе упоминается именно значение избытка. На фотографии монитор Subaru Forester (читайте соответствующий тест-драйв) показывает давление избытка: поскольку на холостых оборотах в камере сгорания разрежение, то давление меньше атмосферного, и на дисплее указано отрицательное значениеК механическим видам наддува (обычно под наддувом понимаются именно механические схемы) относят приводной компрессор и турбокомпрессор.
Приводной нагнетатель, как правило, располагается вдоль блока рядного двигателя или в развале V-образного блока и приводится от коленвала с помощью ременной передачи, прессуя воздух парой винтовых роторов или крыльчаткой. Турбина же приводится в действие вылетающими из цилиндров в коллектор под большим давлением выхлопными газами и утрамбовывает воздух на впуске крыльчаткой. Обычно турбина находится сразу за выпускным коллектором или непосредственно интегрирована в него — как, например, в современных моторах группы Volkswagen.
На оборотах двигателя выше 3500 в бампере Porsche Panamera GTS открываются боковые воздуховоды, и двигатель получает больше воздуха. А на высоких скоростях благодаря рассчитанной форме и сечению патрубков во впускной системе создаётся эффект увеличенного давления воздуха, что позволяет считать такую систему разновидностью наддува
Отдельно можно выделить эксперименты производителей с электротурбинами. Они не отбирают мощность у двигателя и лишены газовой турбоямы, так как колесо компрессора вращает электромотор.
Впрочем, к этой схеме у производителей до сих пор остаётся немало вопросов, и подробнее об этом можно прочитать в нашем материале Audi завтрашнего дня. Кроме механического, существует ещё безагрегатный наддув. Так называют повышение давления на впуске с помощью сочетания скорости движения и особой формы и размеров впускных патрубков. Избыточное давление такого типа является мерой дополнительного форсирования преимущественно спортивных атмосферных двигателей. Примером заводской реализации такой схемы может служить впускной тракт хэтчбека Porsche Panamera в особой версии GTS.
Как устроен турбонагнетатель
Конструкция турбонагнетателя проста: на едином валу находятся две крыльчатки, каждая из которых вращается в своём корпусе, называемом в народе «улитка». Одну крыльчатку (в так называемой горячей улитке) вращает поток выхлопных газов, а связанная с ней единой осью вторая крыльчатка в холодной части крутится и трамбует во впускной тракт забираемый с улицы воздух.
Таким образом, чем выше обороты работы двигателя, тем больше он вырабатывает газов и тем больше воздуха впоследствии получает. Идеальный замкнутый круг с бесконечным потенциалом повышения мощности?
Современные турбокомпрессоры имеют практически нелимитированный потенциал увеличения мощности двигателя. Ограничителем обычно выступает механическая прочность вращающихся и движущихся деталей силового агрегата, а также баланс итоговых характеристик мотора и здравый смысл. Ввиду меньшего КПД и ряда технических особенностей приводные нагнетатели позволяют увеличивать мощность не так эффективно
Но всё не так просто. Во-первых, шатунно-поршневая группа каждого мотора рассчитана на определённые нагрузки, и превышение их приведёт к разрушению двигателя. Во избежание бесконтрольного роста давления наддува в горячей части нагнетателя предусмотрена специальная калитка-клапан под названием «вейстгейт» (в переводе — клапан для излишков), которая открывается с помощью пневматики или сервопривода при достижении пикового расчётного давления в системе.
В результате «лишние» газы просто идут в обход турбинного колеса прямиком в выхлопной тракт и не раскручивают компрессор сверх меры. Как правило, в моторах есть и ещё одна страховка от «передува» — при превышении критического порога давления блок управления двигателем ограничивает увеличение подачи топлива на безопасной отметке, и мотор перестаёт производить слишком много выхлопных газов.
Эта анимация наглядно показывает как устроен и работает классический турбонагнетатель
Но в защите нуждается не только поршневая группа, но и сам турбокомпрессор. Представьте, что он уже «надул» много сжатого воздуха во впускной трубопровод, а водитель внезапно закрыл дроссель — ударившись в такое препятствие, сжатый воздух направится искать себе другую дорогу и обязательно найдёт её в противоположном направлении, где находится только что спрессовавшее его колесо компрессора. Возникающая в таком случае на крыльчатку нагрузка называется помпаж и воздействует на турбонагнетатель самым деструктивным образом.
Для стравливания излишнего воздуха в районе впускного патрубка или интеркулера в систему встраивается ещё один перепускной клапан, который отправляет воздух обратно на впуск перед турбокомпрессором (тогда клапан называется байпасным) или в атмосферу (блоу-офф-клапан). Последняя разновидность «перепускников» как раз и порождает чихающие, свистящие и шипящие звуки тюнингованных автомобилей с турбонаддувом, которые можно услышать на улицах.
С понятием «турбоямы» не нужно путать понятие «турболаг». Если первое — это диапазон оборотов двигателя, где турбосистема не способна эффективно работать, то второе — время задержки системы в ответ на нажатие педали газа с целью получить генерируемую турбокомпрессором дополнительную мощность. Природа лага состоит в том, что дополнительный воздух необходимо всосать, сжать и прогнать по трубопроводу системы впуска до самой камеры сгорания. По конструктивным и компоновочным причинам весь впускной тракт иногда получается достаточно длинным, и на его прохождение воздуху требуется то самое время, которым измеряется задержка под названием «турболаг»
Ещё одна проблема уже эксплуатационного характера заключается в том, что на малых оборотах поток газов слишком мал, чтобы раскрутить вал турбокомпрессора для создания сколько-нибудь существенного давления и получения дополнительной мощности — в народе такая ситуация называется «турбоямой».
Поэтому конструкторы систем наддува тщательно подбирают размеры «холодной» и «горячей» крыльчаток в зависимости от объёма двигателя и желаемого характера тяги. Например, в спортивной Audi Sport quattro турбина имеет огромную горячую часть и небольшую холодную, поэтому, чтобы раскрутить такой нагнетатель, нужно выйти на высокие обороты (3500-4000 об/мин и выше), но зато потом следует очень резкий бескомпромиссный подхват. А в современном гражданском Mini Countryman (мы совсем недавно ездили на обновлённой модели) с небольшим моторчиком объёмом 1,6 литра нагнетатель маленький, но зато легко раскручивается с минимальных оборотов, что удобно в городских условиях.
Благодаря универсальности и простоте твинскролльные турбокомпрессоры получают всё большее распространение в легковом автомобилестроении
Чтобы понизить порог наддува, когда турбина создаёт избыточное давление, и сократить зону турбоямы, создатели турбокомпрессоров используют различные конструктивные ухищрения. Самые распространённые из них — крыльчатка с изменяемой геометрией и твинскролльная горячая «улитка».
TwinScroll предусматривает два параллельных, но разного размера и формы канала для выхлопных газов в едином корпусе улитки — газы в каждый из каналов попадают от своей группы цилиндров, но крутят единое турбинное колесо. Его лопатки выполнены таким образом, что одинаково эффективно воспринимают импульсы из обоих каналов.
Наибольшее распространение нагнетатели с изменяемой геометрией получили на дизельных моторах, в бензиновых агрегатах одними из первых массово подобную конструкцию применили создатели Porsche 911 Turbo предыдущего поколения 997
Из-за различной геометрии каналов и достигается хорошая тяга одновременно и на низких, и на средних и высоких оборотах, а отсутствие столкновения и завихрения потоков газов от разных групп цилиндров улучшает газодинамические свойства системы. Турбины же с изменяемой геометрией имеют специальные, приводимые актуатором, подвижные лопатки-заслонки, которые в разных положениях позволяют менять форму газового канала в горячей улитке (упрощённо — в разное время имитируют маленькую и большую турбину) и таким образом максимально эффективно в конкретный момент времени направлять на турбинное колесо поток выхлопных газов.
Принцип работы турбины с изменяемой геометрией можно изучить на примере дизельного нагнетателя компании Holset
Как устроен механический нагнетатель
В отличие от питающегося «бесплатными» выхлопными газами турбокомпрессора, механический нагнетатель приводится в движение энергией вращающегося коленвала. Соответственно, чтобы получить дополнительную мощность, двигатель сначала часть мощности отдаёт, поэтому КПД такого решения ниже. Но, тем не менее, производители не спешат отказываться от приводных нагнетателей, потому как они наделяют автомобиль моментальной тягой с самых низких оборотов — понятие турбоямы к приводным компрессорам практически неприменимо. Конструкция предусматривает ременную, цепную или реже передачу иного типа, которая вращает вал нагнетателя от коленвала мотора. Аналогично турбокомпрессору, нагнетатель прессует воздух и отправляет его под избыточным давлением во впускной коллектор. Наиболее похожий на турбокомпрессор вид приводного нагнетателя — центробежный.
Он трамбует воздух аналогичным турбинным колесом, но приводится оно не выхлопными газами, а механически.
Механический нагнетатель типа Roots
Приводной винтовой компрессор типа Lysholm
Эта анимация компании Eaton – одного из ведущих производителей компрессоров Roots-типа — объясняет принцип работы такого нагнетателя
Но самым первым компрессором, который применил в автомобилестроении Готлиб Даймлер, стал агрегат типа Roots, названный по имени своих создателей-братьев — изначально они разработали устройство для промышленных нужд. Такой нагнетатель представляет собой собранные в едином корпусе и находящиеся своими лопастями-кулачками в зацеплении два продолговатых ротора, которые своим вращением по направлению друг к другу захватывают и прокачивают воздух во впускной коллектор. Третья разновидность компрессоров — винтовые типа Lysholm — перекачивают и сжимают воздух с помощью сверлообразных несимметричных роторов, которые находятся в зацеплении. Благодаря уменьшающимся по направлению к выходу из компрессора воздушным камерам между шнеками осуществляется внутреннее сжатие воздуха, что обеспечивает большую в сравнении с Roots-нагнетателями эффективность системы.
Аналогично газотурбинным схемам, развиваемое механическими компрессорами давление регулируется с помощью клапанов или муфт.
Турбонагнетатель? Нет, это третья разновидность приводного компрессора, который в качестве нагнетающего элемента использует улитку с крыльчаткой внутри, как у классической газовой турбины
Комбинированные схемы агрегатного наддува
Как только системы наддува стали использоваться массово, инженеры стали думать над повышением их эффективности. Для борьбы с турбоямой, помимо вышеупомянутого твинскролльного наддува, используется схема с двумя последовательно дующими нагнетателями: это может быть маленькая турбина для низких оборотов в сочетании с большой для средних и высоких (так называемая архитектура твинтурбо; пример — Subaru Legacy в кузове BE/BH) или симбиоз приводного компрессора для низких оборотов и турбокомпрессора для средних и высоких. Последним прославилась компания Volkswagen со своим мотором 1.4 Twincharger, который обеспечивал плавный рост давления, но вместе с тем из-за сложности конструкции доставлял немало хлопот по части надёжности и обслуживания.
Это двигатель Volkswagen 1.4 TSI Twincharger. Разработчики умудрились скомпоновать в небольшой «четвёрке» механический нагнетатель (слева от блока цилиндров на изображении) и газовую турбину (справа от блока)
Однако две турбины одного мотора не обязательно отличаются размерами и работают последовательно: во многих современных наддувных моторах цилиндры условно делятся на две группы, и каждая из них обслуживается своим собственным нагнетателем. Однако инженерные изыскания порой порождают и более экзотические варианты: например, в новом трёхлитровом супердизеле BMW (381 л.с./740 Н•м) — три турбины! На низких оборотах работает первая маленькая турбина с изменяемой геометрией, на средних оборотах в дело включается большой нагнетатель, а на высоких прокачивать воздух в цилиндры помогает третий небольшой турбокомпрессор. Результат — водитель трёхлитровой машины ощущает под капотом литров так пять, да ещё и как будто с механическим нагнетателем, практически без турбоямы и лага. Ещё одна схема, пока не нашедшая серийного применения — электрическая турбина в качестве помощника обычному газовому компрессору, мы упоминали о ней выше.
На этой анимации компании BMW представлена схема работы нагнетателей первого в мире легкового двигателя с тремя турбинами
Охлаждение воздуха
Так как воздух в процессе прохождения через нагнетатель спрессовывается и соприкасается с горячими деталями агрегата, он нагревается и сам. Тёплый воздух имеет меньшую плотность, а порог разрушающей мотор детонации при использовании горячего воздуха становится ниже. Вот почему можно ощутить, что в жару автомобиль с наддувным двигателем «не едет» — в условиях недостатка воздуха (по сравнению с идеальными условиями) система управления двигателем готовит меньше горючей смеси, ограничивая до нужного соотношения и подачу топлива. Поэтому для охлаждения воздуха между нагнетателем и впускным коллектором в системах наддува предусмотрен промежуточный охладитель или, иными словами, интеркулер. Он представляет собой теплообменник (то есть радиатор), через который по пути в камеру сгорания проходит весь нагнетаемый воздух. По конструкции интеркулеры делятся на системы вида: «воздух-воздух» и «воздух-вода».
Двигатель Subaru с интеркулером верхнего расположения. Для большей эффективности на некоторых модификациях WRX STI для внутреннего рынка установлена система водяного орошения интеркулера. По нажатию кнопки в салоне кулер через установленные на нём форсунки омывается водой из находящегося в багажнике специального бака
Двигатель BMW с интеркулером фронтального расположения
Из-за заднемоторной компоновки интеркулеры Porsche 911 Turbo находятся по бокам в задних крыльях
Первые дешевле в производстве, легче и в целом компактнее, но менее эффективны и дают меньшую гибкость в компоновке моторного отсека. Охлаждение наддувного воздуха осуществляется в них посредством попадающего на рёбра интеркулера набегающего воздуха через воздухозаборники переднего бампера (фронтальное расположение, например, у Mitsubishi Lancer Evolution и вообще у большинства современных автомобилей) или капота (Subaru Impreza WRX, Toyota Caldina GT-T и прочие автомобили с «ноздрёй» над мотором). Интеркулер же типа «воздух-вода» остужает воздух с помощью циркулирующей по встроенному контуру жидкости, имеющей отдельно вынесенный радиатор охлаждения.
Такая система обеспечивает меньшую длину впускного тракта, а значит, и меньший турболаг, а также позволяет более гибко выбирать месторасположение кулера. Среди её минусов — повышенная сложность и масса конструкции, а соответственно и цена такого решения.
Пять мифов о турбонаддуве
Миф 1. Наддув снижает надёжность, турбины всё время ломаются
Пожалуй, это миф номер один, и доля правды в нём есть. Это связано с тем, что двигатель с наддувом имеет более сложную конструкцию, больше деталей и сложнее в проектировании, а значит — при прочих равных, — шанс, что в нём что-то сломается, выше, чем в случае с атмосферником. Однако конструктивные просчёты случаются и в безнаддувных моторах, поэтому удачная модель турбодвигателя не уступит в надёжности другому такому же удачному атмосфернику. Конечно, внутренние нагрузки в наддувных моторах выше, но каждый двигатель проектируется инженерами с учётом этих особенностей, поэтому все необходимые детали турбо- или компрессорного мотора изначально усилены.
Сам по себе нагнетатель достаточно надёжен, но вследствие неправильной эксплуатации или конструктивных просчётов может выйти из строя, как и любая другая деталь. Даже если это случилось, то специализированные сервисы способны отремонтировать агрегат: для большинства современных моделей выпускаются запасные части и ремкомплекты, а точные измерения, необходимые для ремонта нагнетателя, вполне доступны квалифицированным мастерам. Резюме по мифу номер один: нагнетатель не является каким-либо особенно слабым звеном наддувного двигателя, а если его поломка и произошла, этот узел вполне поддаётся восстановлению или замене.
Миф 2. Автомобиль с наддувом потребляет больше топлива
Отчасти верно, но это касается, в основном, механических нагнетателей. Современные же турбированные двигатели создаются в основной своей массе именно с целью экономии топлива, так как в экономичном режиме вождения мотор с меньшим, чем у атмосферника сопоставимой мощности, рабочим объёмом потребляет меньше топлива, а в случае необходимости наддув даёт возможность распоряжаться существенной мощностью.
Иными словами, много топлива расходуется только тогда, когда это действительно необходимо в соответствии с условиями движения. Повсеместный переход производителей на турбомоторы — лишнее тому подтверждение, ведь такое решение позволяет выпускать автомобили с более скромными показателями среднего расхода, а значит, и платить меньше обусловленных экологическим законодательством пошлин. Резюме по мифу номер два: современный автомобиль с турбонаддувом — это экономично.
Миф 3. Чем больше турбина, тем лучше
Размер нагнетателя — понятие, которое невозможно описать каким-то одним параметром. Это всегда совокупность размеров деталей компрессора, которые определяют его характеристики и совместимость системы с конкретным двигателем. В случае с турбокомпрессором основными и определяющими являются размеры и форма холодной и горячей частей, а производительность механического нагнетателя определяется габаритами винтовых элементов и соотношением диаметров приводных шкивов. Простой пример: если заменить турбину на автомобиле гольф-класса на узел от более объёмного мотора, то производимых компактным двигателем выхлопных газов может не хватить для эффективного раскручивания турбинного колеса, а значит, и компрессорная «холодная» крыльчатка не создаст нужного давления в системе.
Некоторые турбокомпрессоры большего размера всё-таки помогут существенно увеличить мощность небольшого мотора, но доступна она будет только в узком диапазоне высоких оборотов, что удобно для трассы, но оборачивается чудовищной турбоямой в городе. Резюме по мифу номер три: размер нагнетателя требует инженерных расчётов и должен соответствовать параметрам двигателя и планируемым условиям эксплуатации автомобиля.
Миф 4. Владеть автомобилем с наддувом хлопотнее, чем обычным
В последние годы турбированные двигатели получили такое распространение, что далеко не все владельцы в курсе самого факта наличия нагнетателя под капотом. Разве владелице ярко-оранжевого Audi Q3 интересно, что шильдик TFSI на крышке багажника означает турбомотор? В эксплуатации современные автомобили с наддувом не требуют никаких особенных действий — нужно просто заливать соответствующее качественное топливо (не ниже 95 бензина в большинстве случаев и строго 98 для отдельных высокофорсированных моделей) и вовремя проходить регламентное обслуживание.
Автомобили 10-20-летней давности с наддувными двигателями требовали более частого техобслуживания, однако сейчас у большинства производителей наддувные версии требуется загонять на сервис с той же регулярностью, что и атмосферные. Это стало возможным благодаря совершенствованию конструкции моторов, а также появлению новых видов масел.
Старые автомобили с наддувными моторами также боялись резкого глушения после «отжига» — детали турбины продолжали в таком случае вращаться по инерции, а подача масла уже прекращалась, что вело к повышенному износу. Для защиты механизма либо применялось устройство под названием турбо-таймер, которое давало поработать двигателю минуту-другую и затем автоматически его глушило, либо водитель сам ждал пару минут, прежде чем остановить мотор после активной поездки. Современные двигатели ничего подобного не требуют, так как система смазки турбокомпрессора рассчитана на такие условия. К примеру, на турбомоторах Volkswagen предусмотрена отдельная помпа, которая прокачивает через нагнетатель холодный антифриз после выключения зажигания.
Резюме по мифу номер четыре: следите за качеством топлива и вовремя посещайте сервис — и можете не вдаваться в детали конструкции. Впрочем, это справедливо для любого автомобиля.
Миф 5. Наддув включается и отключается на определённых оборотах
Нагнетатель — это агрегат, который, как правило, всегда активен с самого момента запуска двигателя. Равно как с первым оборотом коленвала начинают вращаться приводящие механический компрессор шкивы, так даже на холостых оборотах мотор выделяет выхлопные газы, которые через горячую крыльчатку слегка вращают ось турбокомпрессора. Поэтому нагнетатель работает всегда, но вот быть эффективным начинает только с определённого момента. Порог, с которого нагнетатель создаёт избыточное давление, в каждой системе индивидуален, а рост давления может происходить быстро или медленно, но всегда относительно плавно. Резюме по мифу 5: нагнетатель не работает по принципу «вкл-выкл», а степень его участия в наполнении цилиндров воздухом зависит от оборотов двигателя.
Исключение составляют системы, где присутствует более одного нагнетателя — в таких схемах обычно предусмотрено электронное управление потоками воздуха, и в зависимости от условий работы мотора специальные актуаторы и клапаны задействуют в нужный момент тот или иной компрессор.
Перспективы развития систем наддува
В настоящее время наблюдается всеобщая тенденция перехода на твинскролльные турбонагнетатели вкупе с уменьшением рабочего объёма двигателей. Эта схема практически не имеет недостатков: такой турбокомпрессор выходит на рабочее давление уже на низких оборотах и успешно «дует» вплоть до высоких. Таким образом, он успешно заменяет приводной нагнетатель в деле обеспечения тяги с самых низов, но при этом имеет более высокий коэффициент полезного действия и все преимущества традиционной турбины. А ровный, без «турбоям» и ярких подхватов, характер тяги делает вождение автомобилей с такими двигателями простым занятием для самого широкого круга водителей. Иной раз даже мы, откатавшие сотни разных машин журналисты, не сразу можем распознать наличие под капотом турбины.
Но и приводные нагнетатели не потеряли окончательно своей актуальности. Во-первых, верность им сохраняют производители, для которых беспощадная тяга с самых низов является фирменной чертой характера. Типичный пример — компания Jaguar, чей 5-литровый V8 с механическим нагнетателем своей тягой и звуком пленил немало водительских сердец. Хотя тенденция неумолима: даже компания-первопроходец в области легкового приводного наддува, Mercedes-Benz, в последние годы совершила резкий переход на более эффективную турбокомпрессорную схему.
А во-вторых, компрессоры хороши для использования в… гибридах! Когда нужно состыковать тягу двигателя внутреннего сгорания и электромотора, более прогнозируемым и легко настраиваемым нагнетателем по словам инженеров некоторых автомобильных компаний является всё же механический.
Один из примеров — Porsche Panamera S E-Hybrid, который мы недавно протестировали вместе с электрокаром Tesla Model S, а о ещё одном примере такой схемы мы расскажем вам уже на следующей неделе. Наконец, уменьшение рабочего объёма двигателя. Именно широкое распространение нагнетателей дало возможность производителям сделать моторы более компактными, лёгкими, малообъёмными и не жертвовать при этом мощностью. Такая игра идёт на всех уровнях легкового автопрома: взять хотя бы моторчики Fiat MultiAir (0,9 л) или Ford EcoBoost (1,0 л) для компактов, ещё недавно смехотворный для гольф-класса объём в 1,2 литра (например, Volkswagen TSI), распространённую ныне формулу «два-ноль-турбо» для автомобилей среднего класса, наддувные трёхлитровые «шестёрки» для больших седанов бизнес-сегмента и турбированные V8, которые пришли на смену атмосферным монстрам V10 и V12 в суперкарах.
Автор: Дмитрий Ласьков
Фотографии и иллюстрации компаний-производителей, из архива редакции и www.
oldcarbrochures.com
Двигатель с наддувом — устройство и принцип действия
Подходит к концу «железный» XX век. Наш любимец автомобиль был свидетелем и участником событий этого столетия, совершенствовался и трансформировался вместе с представлениями человека о массовом транспортном средстве. И в преддверии магической цифры 2000 есть смысл поговорить о важнейших технических принципах и решениях, применяемых в конструкции автомобиля, вспомнить об их истории и заглянуть в будущее. Применение наддува для воздухоснабжения двигателей внутреннего сгорания — одна из таких тем. Помимо исторического аспекта, разговор о наддуве имеет и чисто практический смысл — ведь машин, снабженных подобными устройствами, становится все больше и на наших дорогах.
Устройство и принцип работы роторно-шестирёнчатого компрессора типа Roots
НАДДУВ КАК ЛЕКАРСТВО ОТ ВЯЛОСТИ
О том как работает поршневой двигатель внутреннего сгорания, знали еше в прошлом веке.
Смесь воздуха и топлива после сжатия в цилиндре воспламеняется, при сгорании расширяется, толкая поршень и совершая полезную работу, и потом в виде отработавших газов вылетает в выхлопную трубу.
Как только на дорогах мира появились тарахтящие безлошадные экипажи с поршневыми моторами, началась борьба конструкторов за повышение мощности двигателей. Экстенсивный метод — сжечь в цилиндрах больше топлива, увеличивая рабочий объем, — повлек за собой появление десяти- и двенадцатилитровых многоцилиндровых монстров. А мысли о том. как интенсифицировать рабочие процессы и снять с двигателя больше лошадиных сил, привели мотористов к идее наддува.
Дело в том, что количество топлива, которое может сгореть в цилиндрах двигателя, жестко связано с объемом воздуха, засасываемого мотором внутрь при впуске. Соотношение масс — примерно 1 кг топлива на 15 кг воздуха — приходилось выдерживать очень строго, поскольку переобогащенная смесь приводила, наоборот, к падению мощности.
Как преодолеть это ограничение? Идея лежит на поверхности: подать в цилиндры больше воздуха, нагнетая его иод избыточным давлением!
Сначала появились приводные, или, иначе говоря, механические нагнетатели (superchargers) — роторного, винтового, поршневого, спирального типов, приводимые во вращение механической передачей от коленчатого вала двигателя. С подобными устройствами экспериментировал еще Готлиб Даймлер — его первые опыты с наддувом относятся к 1885 году — и, голом позже, Рудольф Дизель. Но орешек оказался крепким — и при реализации довольно простой идеи конструкторам пришлось столкнуться с массой технических трудностей.
Как это часто бывает, первыми механический наддув применили военные — на авиационных моторах, чтобы компенсировать ухудшение наполнения цилиндров при высотных полетах. И только после первой мировой войны полученный опыт позволил оснастить приводными нагнетателями бензиновые двигатели сначала гоночных, а потом спортивных и туристических автомобилей.
За океаном в 20-х голах компрессорами занимались фирмы Duesenberg. Auburn и Cord, а среди «европейцев» лидировали Bentley. Lancia, Alfa Romeo, Fiat, Bugaiti и, конечно же, Daimler-Benz — спортивные «компрессорные» SS и SSK с отключаемым приводом роторного нагнетателя типа Roots стали мечтой любого коллекционера. Семилитровый шестицилиндровый мотор гоночного родстера SSKL конца 20-х годов с механическим наддувом развивал 300 л. е.! Кстати, эти машины конструировал сам Фердинанд Порше, бывший в ту пору в Штуттгарте техническим директором.
Идея наддува оказалась весьма плодотворной. Увеличиваем давление воздуха на 30% — получаем адекватный рост мощности двигателя. Прибавляем до 50% — снимаем еще больше «лошадей». И так до тех пор, пока… не развалится мотор — ведь сжатие теперь начинается не при атмосферном давлении внутри цилиндров, а при избыточном, и реальная компрессия при работающем нагнетателе будет выше. При этом растет не только мощность, но и тепловая и механическая нагрузка на детали двигателя. И, конечно, рост давления наддува бензиновых моторов сдерживает детонационная стойкость топлива — если компрессия будет слишком большой, то процесс сгорания смеси примет характер взрыва, со всеми вытекающими детонационными «прелестями»…
Mercedes-Benz SSK—детище доктора Порше. Выставленные напоказ выхлопные патрубки — непременный атрибут «компрессорных» автомобилей — можно было заказать и на «атмосферный» двигатель |
Компрессор Roots монтировался перед 7-литровой «шестеркой», а его корпус и коллектор были снабжены ребрами —для лучшего охлаждения
Наиболее распространенная в наши дни схема газообмена с турбонаддувом и перепускным клапаном
У механических нагнетателей есть два основных достоинства. Во-первых, это практически безынерционная реакция на изменение подачи топлива и, во-вторых, широкий диапазон оборотов двигателя, при которых такой наддув эффективен. Современные приводные компрессоры славятся тем, что работают с самых «низов», практически с холостых оборотов, поднимая крутящий момент там, где его нехватка ощущается сильнее всего.
Но есть и недостатки. Сравнительная «высокооборотность» приводных нагнетателей (до 20000 об/мин и более) порождает технологические трудности в изготовлении, а довольно большие размеры приводят к компоновочным проблемам: внутри современных моторных отсеков ведь яблоку негде упасть…
А самый главный минус такой схемы в том, что энергия для работы нагнетателя отбирается от коленчатого вала, отнимая пусть небольшую, но все же заметную, около 10%, долю крутящего момента. Конечно, это компенсируется ростом давления наддува, но все же…
ЭНЕРГИЯ ИЗ НИОТКУДА
Приводные компрессоры тех лет были очень сложными и малонадежными. Например, нагнетатель того самого легендарного MercedesBenz SSK.L должен был подключаться только на высоких оборотах (порядка 4000 об/мин) и больших скоростях и только на 20 секунд — чтобы оторваться от соперника или завершить обгон. При этом компрессор издавал душераздирающий визг: его роторы вращались вчетверо быстрее коленчатого вала, быстро сокращая ресурс двигателя и свой собственный. Недаром сэр Бентли, чьи машины были тогда основными соперниками творений Порше на гонках, нагнетатели недолюбливал, но их против его воли ставили на 4,5-литровые моторы по заказам гонщиков.
Таков характер изменения крутящего момента и удельного расхода топлива двигателя ВАЗ-2106 с турбонагнетателем НАМИ (1 — штатный двигатель, 2 — мощностный вариант настройки турбокомпрессора, 3 — экономичный вариант)
Этого недостатка лишен газотурбинный или просто турбонаддув. Его питают энергией выхлопные газы двигателя, которые обычно попросту вылетают в трубу, унося с собой и рассеивая в атмосфере чуть меньше половины всей энергии сгорания топлива.
В отличие от приводных нагнетателей, конструкции которых сильно рознятся в зависимости от типа, все турбокомпрессоры работают по одному принципу и имеют схожее устройство. К выходному фланцу выпускного коллектора мотора вместо приемной трубы крепится корпус турбины — литая «улитка», внутри которой под действием потока выхлопных газов вращается турбинное колесо. Момент передается на соосное колесо компрессора, которое вращается в своей «улитке», засасывая поступающий через фильтр воздух и подавая его под давлением в карбюратор или во впускной коллектор. При этом улучшается наполнение цилиндров и повышается мощность двигателя.
Столь же простая, сколь и гениальная, идея турбонаддува оказалась чрезвычайно сложной в реализации. Температура выхлопных газов, которую должна выдерживать турбина — 900—950 °С, а рабочие обороты турбокомпрессора исчисляются десятками и даже сотнями тысяч оборотов в минуту! Газотурбинным наддувом занимались еще в начале века — швейцарский инженер Альфред Бюхи ставил свои первые опыты до первой мировой войны. Как и приводные компрессоры, турбонаддув сначала появился на авиационных двигателях. Например, француз профессор Рато в 1919 году оснастил мотор аэроплана Breguet турбокомпрессором и промежуточным охладителем (!) — и «наддутый» аэроплан немедленно побил рекорд высоты, прорвавшись за десятикилометровый рубеж
Но основным препятствием широкому применению турбонаддува вплоть до 60-х годов оставалось отсутствие недорогой технологии высокоточного литья из жаропрочных материалов.
Первым серийным автомобилем с бензиновым двигателем, оснащенным турбонадяувом, стал печально знаменитый заднемоторный Chevrolet Corvair — тот самый, «опасный на любой скорости». Оппозитная «шестерка» воздушного охлаждения, которая в безнаддувном варианте отдавала со своих 2300 «кубиков» 95 л. е., в турбоверсии на спайдере Corvair Monza 1961 года развивала 140, а позже 180 л. е.!
Но избыточная поворачиваемость, которая поначалу была свойственна этому неординарному «американцу», погубила Corvair — после нашумевшей книги адвоката Ральфа Найдера «Unsafe at any speed» спрос на машину резко упал, и даже последующие модернизации не смогли реабилитировать Corvair в глазах консервативных янки. Тень дурной славы пала и на ни в чем не повинный турбонаддув…
Ротор турбокомпрессора: вверху — новенький, внизу — загубленный некачественной смазкой
Упорный и осевой подшипники из свинцовистой бронзы, жизнь которых безвременно оборвалась из-за разгильдяйства хозяев…
Моментные кривые трех двигателей Volkswagen: «атмосферного» 1,8-литрового, 1,5-литрового 16клапанного и 1,3-литрового с турбонаддувом (turbo) и механическим нагнетателем (kompr.)
Различия в задержке отклика на увеличение подачи топлива (обороты двигателя — 2300 об/мин, IV передача). Турбокомпрессор «думает» на секунду дольше, чем приводной нагнетатель!
Следующее появление турбокомпрессора на легковых машинах произошло только спустя десятилетие в матушке Европе — 1600 резвых BMW 2002 turbo, выпущенных фирмой с 1973 по 1974 год, особой погоды не сделали, но показали путь другим. Эру массовых турбомоторов огкрыли автомобили Porsche (911 turbo, 1974 год) и SAAB 99 turbo, 1978). Ну а после 980 гола технологические преграды рухнули, и турбоверсии появились в модельном ряду почти у всех ведущих производителей.
На дизельных моторах турбонаддув обосновался раньше, но не на легковых, а на тяжелых транспортных — судовых, танковых, грузовых… Дело в том, что адаптировать турбоагрегат под дизельный двигатель проще, чем под бензиновый: в дизелях энергия выхлопных газов на малых оборотах больше. И турбине работать проще — температура выхлопных газов дизеля не поднимается выше 650—700″С. Инициатором массового применения турбодизелей на гражданских грузовиках выступила в 1958 году фирма DAF. А на легковых автомобилях турбодизели стали появляться только в начале 80-х годов, когда между ведущими автопроизводителями уже вовсю шла ожесточенная топливными кризисами и протестами «зеленых» борьба за снижение расхода топлива и загрязнения воздуха.
ЧТО СКРЫТО в «УЛИТКАХ»
Как уже упоминалось, несмотря на простоту идеи, турбокомпрессор очень сложен в проектировании и изготовлении. А для легкового автомобиля — в особенности.
Поскольку требования компактности удорожают процесс литья деталей. Именно поэтому за изготовление турбокомпрессоров берутся только специализированные ирмы — Garrett (США), КК (Германия), Holset (Англия), IHI (Япония), — и автомобильным фирмам дешевле покупать агрегаты у них. Исключение составляют Mitsubishi и Nissan, которые осилили выпуск турбокомпрессоров самостоятельно и даже продают их «на сторону» (например, агрегатами Mitsubishi комплектовал свои двигатели SAAB).
Корпус турбокомпрессора и «улитку» турбины отливают из специального ковкого чугуна, обладающего высокой жаропрочностью, но, увы, способного дать трещину при резком перепаде температур — например, при попадании воды. Внутри корпуса в подшипниках скольжения из свинцовистой бронзы вращается ось, с одной стороны которой находится приваренное турбинное колесо из жаростойкого сплава, а к другому концу крепится крыльчатка компрессора — она, как и ее «улитка», не столь теплона гружена, что позволяет отливать эти детали из алюминиевых сплавов.
От осевых перемещений вал удерживает упорный подшипник, выполненный в виде широкой шайбы с прорезью. Все подшипники смазываются моторным маслом, которое поступает под давлением из системы смазки двигателя — к корпусу турбокомпрессора подходят подводящая и сливная масляные магистрали. Встречаются и агрегаты с водяным охлаждением, но редко
Вал с крыльчатками после сборки тщательно балансируется — малейший дисбаланс вызовет вибрацию ротора и неизбежно выведет турбокомпрессор из строя. Ведь рабочие обороты вала могут превышать 200000 об/мин!
Поначалу турбокомпрессорам были свойственны очень большие задержки «в отклике»: вы уже нажали на педаль газа, а мотор все ждет, ждет… Это — так называемое турбозапаздывание — turbolag. А еще — отказывались работать при малых и средних оборотах, когда невелико давление выхлопных газов («турбояма» — провал моментной характеристики двигателя до 2500—3500 об/мин). Например, турбокомпрессор на Chevrolet Corvair начинал работать только после того, как «оппозитник» раскручивался до 5000 об/мин — практически до максимальных оборотов. С этим боролись, уменьшая массу и момент инерции ротора. При этом возрастало давление наддува в зоне малых оборотов, но по мере их набора образовывались излишки, которые необходимо «стравливать», чтобы у мотора не случился «гипертонический криз».
Кривые, иллюстрирующие «тепловой удар» подшипников турбокомпрессора при остановке двигателя. Температура выхлопных газов —950 °С
Поэтому все турбокомпрессоры бензиновых, а позже и дизельных, двигателей стали снабжать регулятором давления наддува. Как правило, он срабатывает при определенном пороговом значении давления наддувочного воздуха в компрессоре — воздух давит на мембрану, преодолевая сопротивление тарированной пружины, и посредством механической тяги приоткрывает перепускной клапан в корпусе турбины, отводя часть выхлопных газов мимо турбинного колеса. Раньше встречались другие схемы регулирования — например, по давлению самих выхлопных газов. А теперь на современных моторах этим заведует электроника.
Конечно, при перепуске падает КПД афегата, но избежать этого, регулируя производительность турбокомпрессора другим способом — например, изменяя в зависимости от оборотов ротора угол воздействия потока выхлопных газов на лопатки турбины, — удается пока немногим. Турбокомпрессоры с изменяемой геометрией соплового аппарата, в которых пневмомеханическим приводом регулируется угол наклона лопаток сопла, выпускают лишь Garrett и несколько других ведущих фирм.
БОЛЕЗНИ И УХОД
Агрегат турбонаддува выполнен как необслуживаемый, то есть никакого специфического ухода и регулировки он не требует и после выработки ресурса, как правило, равного или превышающего ресурс самого мотора, подлежит замене. Однако можно сформулировать несколько простых рекомендаций, которые вооружат владельца автомобиля с турбодвигателем знанием ситуаций, в которые попадать нежелательно.
Подшипники ротора — это главный узел турбокомпрессора, от которого в основном зависит работоспособность всего агрегата. И нуждаются они главным образом в обильной и высококачественной смазке. Поэтому простейший совет — регулярно, по инструкции, менять фильтр и масло в двигателе и следить за его уровнем — для хозяина турбомотора должен стать железной заповедью. Масло может быть как на синтетической, так и на минеральной основе — это не столь существенно. Вообще, при выбор» типа смазки лучше руководствоваться заводскими указаниями и ни в коем случае не смешивать масла, даже одного типа, но разных сортов. Главное — класс качества масла по API должен быть не ниже SG/CD. Именно этот индекс свидетельствует о качестве пакета присадок, которые должны быть рассчитаны на работу в напряженнейшей зоне подшипникового узла турбокомпрессора, где и условия трения, и температура масла могут достигать экстремальных значений.
Но масло не только смазывает подшипники, но и охлаждает узел, поддерживая температуру на допустимом уровне. Если условия смазки ухудшаются — например, долго не меняли масло, и отложения снизили пропускную способность магистралей, — то масло начинает застаиваться в подшипниковом узле, что увеличивает теплонапряженность, и это вызывает закоксовывание и еще большее засорение магистрали. В итоге подшипники рано или поздно остаются сухими, а за этим следует их задир и поломка всего агрегата.
Еще один узел турбокомпрессора, исправность которого отражается и на состоянии «здоровья» двигателя — газомасляные уплотнения оси ротора, обычно выполнение в виде упругих стальных колец типа поршневых. Они изолируют систему смазки от впускной и выпускной полостей турбонагнетателя, и при их износе — а это обычно следует за радиальным биением ротора или люфтом его оси — масло начинает выдавливаться в полость компрессора, попадает в цилиндры и сгорает с характерным сизым дымком. Владелец грешит на «поршневую», а дело-то в турбокомпрессоре!
Поначалу этот эффект проявляется при запуске остывшего двигателя — клуб сизого дыма из выхлопной трубы может свидетельствовать о начавшемся износе подшипникового узла и уплотнений. Но точно так же проявляется и износ, например, маслосъемных колпачков или направляющих втулок клапанов самого двигателя…
Кстати, похожую картину может вызвать… засоренный воздушных фильтр! Когда он оказывает значительное сопротивление впуску, в коллекторе, особенно на холостых оборотах в бензиновых двигателях, возникает повышенное разрежение, на которое уплотнения просто не рассчитаны.
Влияет на работоспособность турбокомпрессора и состояние самого двигателя. Например, при износе поршневых колец возникающее избыточное давление картерных газов может препятствовать сливу масла из турбоагрегата — с соответствующими последствиями. Тот же самый эффект наблюдается и при ухудшении вентиляции картера. А нарушение топливных регулировок — неисправность системы впрыска — может привести к тому, что образующийся при неполном сгорании топлива нагар будет откладываться на колесе турбины и перепускном клапане, вызывая дисбаланс ротора и мешая нормальной работе регулятора давления.
Об исправности турбонагнетателя можно судить как по динамике разгона, так и по давлению наддувочного воздуха. Как правило, все автомобили с бензиновыми турбомоторами снабжены стрелочными указателями давления наддува в комбинации приборов. На холостом ходу стрелка прибора демонстрирует разрежение во впускном коллекторе и на «прогазовки» без нагрузки реагирует слабым отклонением. А вот при разгоне, скажем, на третьей передаче с небольших оборотов хорошо видно, как после открытия дроссельной заслонки «в пол» давление наддува (и ускорение автомобиля) нарастает сначала медленно, а потом — в районе 2000—2500 об/мин на современных машинах — стрелка резко уходит вправо до упора, из-под капота доносится приглушенный свистящий звук турбины, и автомобиль мощно устремляется вперед. Кому-то этот «турбокайф» нравится, кому-то мешает прогнозировать реакцию машины на изменение подачи топлива — это дело вкуса. В конце концов, некоторые фирмы (Opel, Citroen, SAAB) предлагают самые «заряженные» версии или с «взрывными» четырехцилиндровыми турбомоторами, или с «ровными» и более тяговитыми на малых оборотах «шестерками»…
И наконец, немного «ездовых» рекомендаций. Особенных требований к прогреву турбодвигателей нет — исправная система смазки с нормальным фильтром обеспечивает мгновенную подачу масла к подшипникам нагнетателя. А вот при выключении двигателя после напряженной езды, когда мотор длительное время работал под большой нагрузкой на высоких оборотах, лучше дать ему поработать минутудругую на холостом ходу. Дело в том, что прекращение циркуляции масла после интенсивной работы вызывает «тепловой удар» — охлаждение резко прекращается, и масло в корпусе подшипников турбоагрегата нагревается до трехсот градусов, закоксовываясь и образуя отложения. А в крайнем случае — например, при остановке после долгой пробуксовки в грязи, когда «улитка» турбины раскаляется докрасна,— могут подклинить и даже расплавиться подшипники ротора…
Турбокомпрессор Garrett VNT25 с изменяемой геометрией соплового аппарата. С 1991 года он устанавливается на дизельный автомобиль Fiat Croma 2,5 TD
В лаборатории турбонаддува НАМИ полным ходом идет адаптация турбокомпрессора к «восьмерочному» мотору. Результаты не за горами…
А перед преодолением водных преград нужно оценить глубину брода — чугунный корпус турбины после «водных процедур» может треснуть, особенно на бензиновых моторах, где он сильнее нагрет.
«ЗА» И «ПРОТИВ» ТУРБОНАДДУВА
Начнем с минусов. Двигатель с турбонаддувом (да и с наддувом вообще) сложнее и дороже и в производстве, и в эксплуатации — ему требуется самое лучшее масло, да и менять смазку нужно почаще. До сих пор не удается избежать «турбоямы» и запаздываний, свойственных газотурбинному наддуву. Уменьшить эти явления может применение двух последовательно включенных турбокомпрессоров, «настроенных» по-разному — такая схема называется biturbo и широко применялась в автоспорте, а на легковых автомобилях ее впервые установила на одноименный автомобиль фирма Maserati. Но, увы, «битурбированный» мотор обходится еще дороже.
И, конечно, большие нагрузки испытывает сам двигатель, причем рост теплонапряженности и механических нагрузок пропорционален увеличению давления наддува (а значит, и мощности). Поэтому на серийных турбомоторах ограничивают давление до 0,3—0,8 кг/кв.см, обходясь весьма скромной по спортивным меркам форсировкой на 30—50%. Зато это позволяет, усилив детали двигателя (поршень, шатун и т. д.), сохранить ресурс мотора на «атмосферном» уровне.
Безболезненно повысить давление еще процентов на 10—20 позволяет промежуточный охладитель наддувочного воздуха (intercooler), который представляет из себя алюминиевый радиатор-теплообменник, включенный во впускной тракт между компрессором и коллектором. Он довольно эффективно снижает температуру сжатого воздуха и теплопоток через двигатель, позволяя сжечь в цилиндрах больше топлива без риска возникновения детонации. Но — опять же недешев…
Ну а плюсы турбонаддува — повышение литровой мощности, КПД двигателя, улучшение разгонной динамики, эластичности и (по сравнению с «атмосферным» мотором одинаковой мощности) топливной экономичности, — очевидны. К тому же, применение наддува позволяет уменьшить количество токсичных выбросов — СО и СН, а при промежуточном охлаждении воздуха еще и окислов азота NOx. А в последнее время появляются новые аргументы в пользу наддува.
XXI ВЕК — С НАДДУВОМ ИЛИ БЕЗ?
Начиная со второй половины 80-х годов, ведущие автомобилестроительные фирмы мира вкладывают миллионы долларов в научно-исследовательсие работы по уменьшению токсичности, снижению расхода топлива, одновременно стремясь повысить литровую мощность. Постепенно внедряя такие решения, как замена карбюратора впрыском, электронная оптимизация режимов работы, каталитическая нейтрализация, резонансный впуск и выпуск, регулируемые фазы, инженеры довели четырехтактный двигатель Отто почти до совершенства. Осталось применить на бензиновых моторах непосредственный впрыск, что и делают сейчас одними из первых Mitsubishi и Subaru. А что дальше?
Похоже, что в начале следующего столетия двигатель внутреннего сгорания все же будет преобладать над другими альтернативными силовыми установками. И, чтобы обеспечить очень жесткие нормы по токсичности, известные как Euro 3, конструкторам придется искать новые пути кардинальной модернизации поршневых моторов. И скорее всего, при этом забыть про наддув не удастся.
Один из путей — создание двигателей, реализующих циклы с внутренним охлаждением (циклы Миллера—Аткинсона) с обязательным применением наддува или механического, или комбинированного.
Второй путь — переход на… двухтактный цикл! Теоретически он может обеспечить лучшие показатели, и поэтому наследники смешных моторчиков DKW крутятся теперь на испытательных стендах Ford и Jaguar. Опять-таки вооруженные наддувом…
Третье направление — применение наряду с непосредственным впрыском различных схем наддува для обеспечения работы бензиновых двигателей на сверхобедненных смесях. Одни предлагают для этого комбинацию отключаемого приводного нагнетателя для малых оборотов и турбонаддува для средних и высоких. Ну а некоторые продолжают работать над еше одним типом агрегата наддува — волновым обменником давления
Сотргех, сочетающим достоинства всех традиционных видов нагнетателей, но исключительно сложным в разработке и производстве.
Идет совершенствование и старого доброго турбонаддува. Благодаря применению керамики и спецпластмасс снижается масса и момент инерции ротора, подшипники на газовой смазке и новые уплотнения позволят снизить потери на трение…
Так что мы стоим на пороге новых значительных изменений в конструкции двигателей — и Авторевю, несомненно. будет уделять внимание любым интересным новшествам. Жаль, что Россия в этой гонке — безнадежный аутсайдер.
Хотя наши отечественные разработки, пожалуй, могли бы составить конкуренцию «потрохам» концепт-каров именитых фирм. Приятно, что лаборатория турбонаддува НАМИ на голом энтузиазме продолжает научный поиск и практические разработки. Например, сделан и «обкатан» агрегат турбонаддува для «классических» двигателей ВАЗ, готовится турбонагнетатель для «восьмых» моторов. Позже мы о них расскажем подробнее. Кстати, тем бедолагам, кто мучается с неисправным турбонаддувом иномарок, здесь постараются помочь…
А. АЗБЕЛЬ Л. ГОЛОВАНОВ
почему у атмосферных моторов нет будущего :: Autonews
Наддув без вариантов: почему у атмосферных моторов нет будущего
Летом организаторы международного конкурса «Двигатель года» (International Engine of the Year) назвали лучшие моторы 2016 года. Эксперты оценивали силовые агрегаты по нескольким параметрам: экологичность, динамические характеристики и расход топлива. При этом в тройке лидеров не оказалось ни одного атмосферного агрегата. По результатам голосования победу одержал 3,9-литровый битурбо V8, который устанавливают на Ferrari 488 GTB. На втором месте оказалась гибридная силовая установка BMW i8, в составе которой тоже есть наддувный бензиновый мотор объемом 1,5 литра. Третьим стал шестицилиндровый турбированный двигатель Porsche, которым комплектуют спорткары 911. Повальный переход на турбированные моторы в мировом автопроме происходит отнюдь не для обеспечения высоких показателей мощности. По мнению специалистов НАМИ, все дело в экологических нормах, которые могут привести к исчезновению атмосферных моторов.С атмосферных двигателей можно снять практически такую же удельную мощность, что и с турбированных. Самым высокопроизводительным безнаддувным мотором на текущий момент остается 4,5-литровый V8 от Ferrari 458 Speciale A, который выдает 605 лошадиных сил. Таким образом, удельная отдача агрегата составляет 134 л.с. с одного литра объема. Для сравнения, с 4,0-литрового V6 TFSI с двумя турбинами (Audi RS6) инженеры сняли 605 л.с. – 151 л.с. с одного литра объема.
В автомобильных двигателях без наддува литровая мощность выше 100 л.с. обеспечивается, в первую очередь, за счет повышения его предельных оборотов (быстроходности), пояснил директор Центра «Энергоустановки» ФГУП «НАМИ» Алексей Теренченко. В качестве примера кандидат технически наук вспомнил мотор мотоцикла Honda CBR400F (145 л.с./1 л), максимальная мощность которого достигается на 12 300 оборотах в минуту. Абсолютные рекордсмены здесь двигатели болидов Формулы-1, с которых снимают по 310 л.с. на 1 л, но уже на 19 000 оборотах.
Влияние на литровую мощность оказывают и другие факторы: степень сжатия, смесеобразование, сгорание. Например, в 1997 г. Alfa Romeo начала устанавливать на седаны 156 двигатели линейки Twin Spark, в которых было по две свечи на цилиндр. Моторы выдавали рекордную для европейского автопрома по тем временам удельную мощность. «Четверка» объемом 1,75 л обеспечивала 144 л.с., а 2,0-литровый мотор – 165 лошадиных сил. У японских брендов двигатели были еще производительнее. Например, в начале 1990-х Honda разработала DOHC i-VTEC объемом 1,6 л, который выдавал 160 лошадиных сил. При этом максимальная мощность достигалась практически на мотоциклетных оборотах – коленвал Honda Civic раскручивался до 8 тыс. оборотов в минуту. Позже на Honda S2000 появилась бензиновая «четверка» объемом 2,0 л с высокой степенью сжатия, которая выдавала 250 л.с. (125 л.с. на 1 л объема). В российском автопроме рекордсменом по удельной мощности является двигатель АвтоВАЗа под индексом 21127, которым комплектуется Lada Vesta (1,6 л, 106 лошадиных сил).
Представитель НАМИ, в свою очередь, пояснил, что все эти факторы, повышающие отдачу мотора, имеют второстепенное значение. «Быстроходность двигателя ограничивает процесс газообмена, для улучшения которого стремятся увеличить число цилиндров, уменьшить отношение хода поршня к диаметру цилиндра, увеличить количество клапанов на цилиндр, повысить пропускную способность выпускной и особенно впускной системы», — уточнил Теренченко.
Автопроизводители и дальше продолжили бы совершенствовать атмосферные моторы, если бы не жесткие экологические нормы, ограничивающие уровень выбросов СО2 в атмосферу. Одним из самых популярных способов для выполнения требований, помимо сокращения веса автомобилей, является уменьшение рабочего объема двигателей. «При уменьшении рабочего объема пропорционально снижается его мощность и, соответственно, ухудшаются ездовые качества автомобиля. Чтобы избежать этого, крутящий момент и мощность двигателя восстанавливают до уровня двигателя большего литража за счет применения турбонаддува», — объяснил кандидат технических наук, добавив, что в обычном режиме такой мотор работает, как малообъемный «атмосферник».
При этом повышение предельных оборотов мотора также позволяет восстановить мощность, однако крутящий момент в этом случае будет низким. Именно по этой причине форсирование двигателя за счет применения турбонаддува более эффективно, чем повышение быстроходности силового агрегата.
При этом, пояснил представитель НАМИ, нет прямой зависимости между форсировкой двигателя при помощи турбины и его надежностью – все зависит от условий эксплуатации. У атмосферных двигателей обратная ситуация: долговечность мотора во многом связана с его литровой мощностью. «С увеличением оборотов и, соответственно, литровой мощности, растут инерционные нагрузки, трение и износ основных деталей, поэтому надежность снижается», — рассказал Алексей Теренченко.
Например, срок службы атмосферного двигателя Формулы-1 равен 1 тыс. км, в то время как на массовых автомобилях эта цифра в среднем составляет 150 тыс. километров. НАМИ также работает над повышением удельной мощности двигателей. По прогнозам разработчиков, реально добиться цифр порядка 125-135 л.с. на 1 л объема за счет применения разных комбинаций новых и традиционных технологий. В том числе, регулируемого клапанного привода, регулируемой степени сжатия, непосредственного впрыска топлива в цилиндры, турбонаддува, гибридизации и электрификации силового агрегата. В моторе будущего флагмана проекта «Кортеж» также предусмотрен целый ряд технических инноваций, но едва ли он будет атмосферным.
| Автор: Владимир Егоров Источник: icarbio.ru 58935 9
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.
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.
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.
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:
Безагрегатный наддув. К нему относят:
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 наддувМеханический 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»
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.
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.
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
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»
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.
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 нагнетателейВ 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.
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
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:
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.
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 наддувСистема 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.
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.
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.
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.
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.
Преимуществом динамического наддува является то, что это самый дешевый способ относительно остальных. Последнее обновление 15.11.2012Опубликовано 22.08.2010 Читайте также
Сноски
Комментарии |
В нынешнем десятилетии модели Lamborghini не получат наддув — ДРАЙВ
На флагмане Lamborghini Aventador установлен новый мотор V12. Итальянцы умудрились сократить уровень выбросов углекислоты на 20% по сравнению с предшественником, не используя непосредственный впрыск. Но без наддува всё равно не обойтись.
Спортивный итальянский автомобиль и турбонаддув? Это не редкость, особенно когда речь заходит о моделях Ferrari и Maserati. Помните суперкар Ferrari F40, чей 478-сильный мотор V8 2.9 комплектовался двумя турбокомпрессорами? Среди машин с трезубцем в 1980 и 1990 годах иных и вовсе не было — только двухнаддувные модели. А вот фирма Lamborghini турбинами не баловалась — только «атмосферники» V8, V10 и V12. И наддувных моторов у машин из Санта-Агаты не будет до конца десятилетия.
Автомобили Ferrari были наддувными (на фотографии — суперкар F40) и будут — итальянцы уже объявляли ранее, что грядущие модели получат моторы с турбокомпрессорами.
Глава Lamborghini Стефан Винкельманн сказал в интервью изданию Autocar, что его суперкарам точно не светит турбонаддув до конца 2020 года. А потом итальянцы должны будут следовать букве экологического закона. Также Винкельманн заверил, что модель Gallardo нового поколения, которая должна дебютировать в течение двух лет, изначально получит атмосферный мотор с непосредственным впрыском.
Но, честно говоря, мы не сомневаемся, что турбокомпрессоры появятся у машин с изображением быка на крышке багажника раньше конца декады. Ведь соплатформенное с Gallardo купе Audi R8 второй генерации получит двигатель V8 4.0 с двумя «улитками» уже во второй половине десятилетия.
| Справочник пилота по авиационным знаниям, Система герметизации самолета Справочник пилота по аэронавигационным знаниям, | Система герметизации самолета
Таблица стандартного давления Таблица стандартного давления
Copyright © 2021 CFI Notebook, Все права защищены.| Политика конфиденциальности | Условия использования | Карта сайта | Патреон | Контакты |
Герметизация воздушного судна: руководство для новичков о том, как работает давление в салоне самолета | Тронэр | Тронэйр
Мы часто воспринимаем полеты как должное и никогда не задумываемся о том, как мы можем функционировать так высоко в воздухе. В этой статье мы рассмотрим, как система герметизации салона самолета позволяет комфортно дышать кислородом во время полета и почему испытательное оборудование является необходимой частью вашего парка наземного вспомогательного оборудования.
Обеспечение безопасности и комфорта пассажиров на высоте более 30 000 футов — это достижение, над которым производители самолетов пытались справиться десятилетиями. Как люди, мы лучше всего функционируем на уровне моря. Но самолеты лучше всего проявляют себя на большой высоте с разреженным и гладким воздухом.
Как видите, это создает довольно затруднительное положение. Поэтому производители самолетов создали систему наддува кабины, чтобы пассажиры и сотрудники были в безопасности и чувствовали себя комфортно в воздухе. Но то, как работает давление в салоне самолета, может немного сбить с толку.Итак, мы отвечаем на несколько наиболее распространенных вопросов, которые возникают при обсуждении тонкостей герметизации самолетов.
Откуда берется сжатый воздух?
Ответ на этот первый вопрос немного сложен, поскольку он может варьироваться в зависимости от производителя самолетов, поэтому давайте углубимся в него.
В более старых авиалайнерах с поршневым двигателем использовались электрические воздушные компрессоры для закачки наружного воздуха в салон самолета. Однако это приводило к увеличению веса самолета.Затем лайнеры начали использовать отбираемый из двигателей воздух для вращения турбокомпрессоров, которые затем закачивали наружный воздух в кабину. Сегодня на большинстве современных самолетов используется отбираемый из компрессоров двигателей воздух для обеспечения надлежащего давления в салоне.
Но как работает давление в салоне самолета?
Итак, мы ответили, откуда берется сжатый воздух, но как он работает на самом деле? Пристегнитесь.
Компрессор двигателя содержит ряд вращающихся лопастей, которые втягивают свежий воздух извне самолета.При сжатии воздух становится очень горячим. Затем он попадает в камеру сгорания двигателя, где он соединяется с топливом и сгорает. Затем расширенные газы проходят через лопатки турбины двигателя (приводящие в действие лопатки компрессора) и выходят из двигателя, создавая тягу.
Отбираемый воздух, представляющий собой чистый горячий воздух, забирается из компрессора перед смешиванием с любым топливом или выхлопными газами. Удаление воздуха может помочь в следующих случаях:
- — Герметизация кабины
- — Обледенение крыла и двигателя
- — Насосы пневматические гидравлические
- — Стартер двигателя
Хотя некоторая часть уже нагретого отбираемого воздуха используется для таких вещей, как удаление льда с крыльев, отбираемый воздух из кабины необходимо сначала охладить.Охлаждение осуществляется в промежуточном охладителе, который похож на радиатор автомобиля. Интеркулер работает, отводя тепло в окружающий воздух. Затем воздух попадает в нижнюю часть самолета, где он дополнительно охлаждается за счет использования воздушных пакетов, в которых используется машина с воздушным циклом (холодильная установка). Этот удивительно простой кондиционер использует воздушные пакеты для сжатия поступающего воздуха, чтобы нагреть его, прежде чем направить его в дополнительный интеркулер для отвода тепла за пределы самолета.Затем этот воздух расширяется через расширительную турбину, в результате чего получается холодный воздух.
На этом этапе охлажденный воздух готов к смешению с рециркуляционным воздухом кабины с помощью вентиляторов. Автоматические системы работают на протяжении всего полета, регулируя смесь тепла двигателя и холода от воздушных пакетов. Чтобы поддерживать давление в салоне самолета на безопасном уровне, любой поступающий воздух удерживается внутри кабины с помощью автоматического выпускного клапана. Этот клапан открывается и закрывается на регулярной основе, чтобы выпустить поступающий воздух со скоростью, регулируемой датчиками давления.Выпускной клапан также действует как выпускной люк для старого зловонного воздуха, чтобы покинуть самолет.
Как пилоты контролируют наддутие?
Это вопрос с подвохом. Во время предполетной проверки пилот должен включить дисплей, на котором будет отображаться высота аэропорта посадки. Но после этого пилоты обычно не делают ничего, связанного с герметизацией кабины, до конца полета. На всех самолетах, как мы уже упоминали, есть автоматический режим, регулирующий выпускной клапан.
Имейте в виду, что пилоты могут отключить автоматические режимы в случае неисправности. Ручной режим позволит пилоту затем отрегулировать положение выпускного клапана.
Есть ли побочные эффекты?
Хотя нет никаких долгосрочных рисков нахождения в герметичной кабине самолета, есть некоторые странные побочные эффекты, которые вы можете заметить в самолете. Поскольку сжатый воздух имеет низкую влажность, вы очень быстро обезвоживаетесь. Итак, вам нужно пить много воды, чтобы избежать обезвоживания.
При употреблении алкоголя может усилиться обезвоживание. Итак, если пассажиры решают выпить во время боя, они должны обязательно выпить воды и что-нибудь поесть.
Герметизация самолета также снижает ваше чувство вкуса и запаха. Исследование, проведенное по заказу Lufthansa, показало, что он может уменьшить эти чувства на целых 30%. Вот почему в самолетах к еде часто добавляют дополнительные специи или ароматизаторы.
Почему самолет не может просто лететь ниже?
Вы можете спросить себя, почему самолет не может просто лететь ниже, чтобы избежать хлопот по созданию идеального давления в салоне самолета? Хотя самолеты, безусловно, могут летать на высоте ниже 10 000 футов, где атмосферное давление является идеальным, есть некоторые эксплуатационные недостатки для выполнения этого в течение всего полета.Во-первых, есть много горных хребтов, высота которых превышает 10 000 футов. В дополнение к этому, большинство плохих погодных условий можно встретить на более низких высотах, поэтому пилоты обычно стараются избегать этого. А с точки зрения эффективности турбовентиляторные двигатели крайне неэффективны при использовании на малых высотах и скоростях движения.
Как можно проверить герметичность самолета?
Чтобы убедиться, что самолет находится под безопасным давлением перед полетом, вам необходимо проверить давление. Для этого обязательно используйте соответствующее оборудование для проверки давления в салоне самолета.Эти элементы оборудования являются жизненно важными игроками в вашем парке GSE и помогают поддерживать стандарты безопасности для любого самолета, прибывающего в ваш аэропорт или вылетающего из него. Ниже приведены лишь некоторые из вариантов оборудования для испытания под давлением в кабине, предлагаемого Tronair.
- — Дозатор утечки жидкости может определить, выходит ли воздух, когда кабина находится под давлением.
- — Устройство для проверки давления в кабине (также доступное в виде переносного устройства), помимо проверки на герметичность, может проверять герметизирующие компоненты самолета, такие как выпускные клапаны, манометры и дверные уплотнения.
Позвольте компании Tronair найти оборудование для проверки давления в салоне самолета, соответствующее вашим потребностям
В Tronair мы неустанно работаем, чтобы предложить нашим клиентам разнообразный и беспрецедентный выбор продуктов GSE. Мы понимаем, насколько важна безопасность, когда речь идет о герметизации самолетов и авиаперелете в целом, — поэтому мы создаем испытательное оборудование, на которое вы можете положиться. Приобретите наш высококачественный ассортимент оборудования для испытания под давлением в кабине, дозаторов жидкости для утечек и т. У вас есть вопрос или нужна цитата? Наш отдел обслуживания клиентов и команда продаж готовы помочь с любыми вопросами, которые могут у вас возникнуть относительно нашего обширного ассортимента продукции.Свяжитесь с нами сегодня.
Определение давления по Merriam-Webster
прессовать | \ ˈPre-shə-rīz \под давлением; давление
переходный глагол
1 : для удержания содержимого под давлением, превышающим давление внешней атмосферы. особенно : для поддержания атмосферного давления, близкого к нормальному, во время высотных или космических полетов (например, с помощью нагнетателя)3 : , чтобы выдерживать давление
Как это работает и почему это важно для самолетов — Monroe Aerospace News
Когда самолеты поднимаются выше в небо, они нагнетают воздух в пространство салона, чтобы создать в нем давление.Все коммерческие самолеты имеют герметичные кабины, подобные этой. Это не просто создает более комфортные условия для пассажиров. Напротив, наддув кабины — важная функция безопасности. Итак, как работает наддув кабины и почему это важно для самолетов?
Как в самолетах создают герметичные кабины
Самолеты повышают давление в кабинах, нагнетая в них воздух. Поскольку их реактивные двигатели всасывают воздух, часть избыточного воздуха отводится в кабину самолета. Воздух охлаждается и увлажняется, то есть к нему добавляется влага, после чего он циркулирует в салоне и по нему.Как только в салоне будет достигнут идеальный уровень давления, самолет будет поддерживать его.
Большинство самолетов регулируют давление в салоне с помощью выпускного клапана. Если в салоне самолета давление превышает указанное, открывается выпускной клапан. В открытом положении будет вытекать лишний воздух. После этого давление в кабине упадет до необходимого уровня, что приведет к закрытию выпускного клапана. Некоторые самолеты используют другие методы для регулирования давления в салоне, но в большинстве современных коммерческих самолетов для этой цели используется выпускной клапан.
Почему необходима герметизация кабины
Герметизация кабины важна из-за нюансов между плотностью воздуха на малых и больших высотах. На больших высотах воздух менее плотный, чем на малых. На уровне земли давление воздуха составляет немногим более 14 фунтов на квадратный дюйм (PSI). Когда самолет достигает своей типичной крейсерской высоты — обычно от 30 000 до 40 000 футов — давление воздуха может составлять всего 4 — 5 фунтов на квадратный дюйм.
Низкое давление воздуха, связанное с полетами на большой высоте, может ограничивать получение пассажирами достаточного количества кислорода, если в салоне нет повышенного давления.Низкое давление воздуха означает, что воздух менее плотный. Следовательно, в нем меньше кислорода. Если самолеты не герметизируют кабины, это может привести к недостатку кислорода, а также к связанным с этим медицинским проблемам, таким как гипоксия. Самолеты нуждаются в герметичных кабинах, потому что это обеспечивает пассажирам, а также членам экипажа достаточное количество кислорода в воздухе, которым они дышат.
Хорошая новость заключается в том, что современные самолеты спроектированы с учетом резервирования на случай отказа наддува. Если в салоне самолета падает давление, кислородные маски автоматически опускаются перед пассажирами.Пассажиры могут надеть одну из этих кислородных масок на лицо, чтобы получить достаточное количество кислорода, пока самолет не снизится и не приземлится.
Консультации — Инженер по подбору | Использование гибридного подхода к проектированию наддува лестничной клетки
Цели обучения
- Укажите некоторые переменные, которые могут повлиять на конструкцию и производительность систем повышения давления на лестничной клетке.
- Узнайте о плюсах и минусах различных конфигураций системы наддува дыма.
- Ознакомьтесь с преимуществами проектирования систем, обеспечивающих возможность ввода в эксплуатацию и надежность с уменьшенными требованиями к техническому обслуживанию в течение всего срока службы.
Несмотря на то, что достижения в области технологий строительных систем открыли возможности для создания более интеллектуальных систем герметизации лестничных клеток, упрощенный подход к проектированию может обеспечить более надежное решение. Система наддува дыма, использующая проверенные принципы проектирования в сочетании с элементами новой технологии, может создать систему безопасности жизнедеятельности здания, которую можно легко калибровать во время ввода в эксплуатацию и требовать минимального длительного обслуживания, тем самым обеспечивая надежную работу в течение долгого времени после принятия системы.
Из множества конструктивных соображений и особенностей, учитываемых при строительстве высотных зданий и башен, первостепенное значение имеет возможность безопасного выхода пассажиров во время пожара с минимальным воздействием вредных продуктов сгорания. В зданиях такого типа время, необходимое пассажирам для перехода от верхних этажей к выходу, может быть значительным, что вызывает необходимость в дополнительных мерах безопасности.
С точки зрения выхода из здания эти защищенные дымонепроницаемые ограждения считаются выходами из здания.После того, как человек вошел в подъезд, даже если он находится на 40 -м этаже , считается, что он покинул здание.
Код, выбранный дизайнером, допускает несколько альтернатив этим требованиям. Альтернативы включают: альтернативу естественной вентиляции в Разделе 909.20.3 IBC 2015 года, альтернативу механической вентиляции в Разделе 909.20.4 IBC 2015 года и альтернативу герметизации лестниц и пандусов в Разделе 909.20.5 IBC 2015 года. В этой статье будут обсуждаться подходы к проектированию для одной из этих альтернатив, которая снижает проникновение дыма за счет создания избыточного давления в ограждении лестничной клетки.
Коды и стандарты NFPA
В юрисдикциях, где принят NFPA 101: Кодекс безопасности жизнедеятельности, например, в некоторых федеральных агентствах, также предусмотрены требования к дымонепроницаемым корпусам. Согласно NFPA 101, дымонепроницаемые кожухи требуются в диспетчерских вышках в аэропортах и в высотных зданиях. В этих сценариях становится применимым стандарт NFPA 92: Стандарт для систем управления задымлением, когда проектировщик решает обеспечить герметизацию корпуса в качестве средства поддержания дымонепроницаемого корпуса.
Герметизация дымонепроницаемого корпуса поддерживает комфортную среду для пассажиров во время эвакуации за счет создания перепада давления на границе корпуса. Это ограничивает проникновение дыма от пожара в лестничную клетку, позволяя пассажирам дополнительное время безопасно пройти через защищенное ограждение.
Аналитический процесс повышения давления на лестничной клетке
В своей простейшей форме система наддува лестницы использует приточный вентилятор, чтобы вдувать наружный воздух в лестничную клетку, создавая положительный перепад давления на границе шкафа.Однако конструкция этих систем может сильно зависеть от норм и стандартов, используемых при проектировании. В соответствии с разделом 909.20.5 IBC, ограничение перепада давления между лестничной клеткой и уровнем выхода, когда все двери лестницы закрыты и когда здание находится в условиях максимального эффекта стеклопакета и ветра, не должно быть меньше 0,10 дюйма водяного столба или больше 0,35. дюймовый водомер.
При использовании NFPA 92 критерии проектирования системы наддува лестничной клетки требуют определенных пределов минимального перепада давления, основанных на конструктивных факторах здания, включая высоту потолка, и наличие автоматических спринклеров.Кроме того, определяется максимальный предел перепада давления, необходимый для поддержания силы открывания двери дымонепроницаемого корпуса на уровне менее 30 фунт-сила, максимум, разрешенный NFPA 101. Кроме того, NFPA 92 требует, чтобы этот критерий соблюдался как при нулевом значении, так и при проектировании. количество дверей, открытых во время работы системы.
Рис. 1: Герметизация дымонепроницаемого корпуса ограничивает прохождение дыма через границу корпуса, обеспечивая надежные пути выхода.Предоставлено: Burns & McDonnell,
.Есть проблемы, связанные с выполнением этих требований. Основная задача — определить правильный объемный расход приточного вентилятора, не зная всех статических и динамических условий утечки, которые могут присутствовать в лестничной клетке во время аварийной ситуации. Если перепад давления на границе ограждения слишком низкий, дым может начать проникать в лестничную клетку. Если перепад давления на границе ограждения слишком высок, двери для выхода в лестничную клетку могут быть закрыты под давлением, что затрудняет открытие дверей для выходящих людей.
Во время инженерного анализа системы герметизации лестницы проектировщик системы должен учитывать многие условия здания, включая: тип конструкции шахты, нормальный и обратный эффект стека, ветровые и климатические эффекты, внутренние и внешние стены, проемы между этажами, предполагаемое количество лестничных пролетов. двери открываются при выходе, вводе системы в эксплуатацию и долгосрочном обслуживании системы, среди прочего.
Как упоминалось выше, проектировщику следует продумать, как люди будут выходить из здания, чтобы определить количество открытых дверей, предусмотренных в проекте системы.Дизайнер должен спросить не только, сколько дверей будет одновременно открыто при выходе, но и какие двери. Будет ли это дверь на пожарный этаж и на один уровень выше, или, может быть, просто дверь на уровне выхода разряда? Мы проектируем вокруг одной, двух или даже трех открытых дверей?
Кроме того, проектировщику следует подумать, следует ли считать, что двери, открытые во время эвакуации, частично или полностью открытыми. Будет ли средняя свободная площадь дверного проема при эвакуации с этажа с умеренной загрузкой составлять лишь одну треть от площади полностью открытой двери? Считает ли дизайнер выходящих через дверь пассажиров препятствием для воздушного потока?
Хотя некоторые двери можно считать открытыми или частично открытыми, проектировщик также должен оценивать и управлять эффектами системы, когда все двери закрыты.Только эти параметры двери создают постоянно меняющееся динамическое влияние на требования к воздушному потоку, чтобы соответствовать критериям производительности.
Еще одна переменная, о которой часто забывают, — это лестничные клетки под давлением в небольшом здании, таком как диспетчерская вышка. В этих случаях проектировщик должен оценить, достаточно ли утечки из плиты пола или требуется ли выхлоп с каждого этажа для поддержания требуемого перепада давления в течение нескольких минут работы системы. В некоторых случаях небольшие плиты пола или плотная конструкция, например полы без окон, могут создавать условия, при которых сам пол становится избыточным давлением во время интенсивной работы системы, и перепад давления в ограждении лестничной клетки больше не может поддерживаться.
Возможно, одним из наиболее важных факторов, которые должен учитывать проектировщик, является то, как система будет введена в эксплуатацию, чтобы продемонстрировать работу системы и пройти окончательную приемку. Проектировщик должен учитывать потенциальные переменные, которые могут измениться во время строительства, что приведет к ударам при окончательном приемочном испытании. Кроме того, любые переменные могут повлиять на необходимое обслуживание в течение всего срока службы системы.
Ранний подход к проектированию системы
Традиционно приточный вентилятор создавал давление в ограждении лестничной клетки, и любое избыточное давление сбрасывалось через каналы утечки в ограждении шахты или барометрический демпфер.Эти барометрические демпферы часто находятся в верхней части вала и используются для поддержания перепада давления в корпусе ниже указанного предела. Ранние системы повышения давления на лестничных клетках обычно включали приточный вентилятор постоянного объема для создания давления в ограждении и утяжеленный барометрический демпфер для сброса избыточного давления.
Несмотря на то, что это относительно простая и надежная система, этот подход иногда наталкивался на подводные камни во время установки и ввода в эксплуатацию.Когда эти типы систем были спроектированы, большая часть доступной информации о скорости утечки через различные узлы стен, пола и дверей была недоступна. Это привело к чрезмерной конструкции приточных вентиляторов с учетом степени неопределенности конструкции, что часто приводило к потенциальным проблемам при вводе в эксплуатацию.
При использовании вентилятора постоянного объема изменения расхода воздуха во время ввода в эксплуатацию ограничивались доступным выбором вентилятора и шкива двигателя. Регулировка шкивов вентилятора и двигателя часто позволяет обеспечить производительность системы, близкую к требуемой, но не обязательно обеспечивает точный воздушный поток, необходимый для достижения критериев производительности.Если возникнут другие непредвиденные обстоятельства, такие как очень негерметичный кожух вала, может потребоваться вентилятор большего размера, что приведет к более мощному энергоснабжению, чем планировалось, что вызовет потенциальный эффект домино на этапах строительства.
Современный подход к системному проектированию
За последние несколько десятилетий введение эмпирических данных по скорости утечки для инженерного анализа и проектирования, наряду с вентиляторами с частотно-регулируемым приводом, позволило использовать более современные подходы к проектированию. Использование вентиляторов с частотно-регулируемым приводом в конструкции системы дает возможность регулировать поток воздуха в вал в зависимости от изменяющихся условий с помощью датчиков перепада давления, расположенных по всему корпусу.
Рис. 2. Агенты по вводу в эксплуатацию проводят обход дымонепроницаемого ограждения в новом высотном офисном здании. Предоставлено: Burns & McDonnell,
.В некоторых случаях вентиляторы с частотно-регулируемым приводом устраняют необходимость в барометрическом предохранительном демпфере для предотвращения избыточного давления внутри корпуса вала. Эта технология позволяет системе увеличивать и уменьшать воздушный поток, поскольку степень утечки в корпусе вала со временем изменяется. Однако такой подход к проектированию не лишен недостатков.
При использовании в системах отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха, системы с датчиком давления повышают эффективность систем.Когда эти датчики давления выходят из строя или выходят из строя в системах отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха, это быстро замечается и сообщается неудобными жителями здания, и проблема устраняется в разумные сроки.
Однако в системе наддува на лестничной клетке, где в идеале система никогда не работает вне тестирования системы, производительность системы и влияние вышедшего из строя или не калиброванного датчика выявляются редко. В результате вентиляторы могут не работать в аварийной ситуации, как было изначально задумано, что приведет к пониженному или избыточному давлению в ограждениях лестничной клетки.
Еще одним недостатком регулирования воздушного потока с помощью вентилятора с частотно-регулируемым приводом является влияние инерции лопастей центробежного вентилятора на давление внутри ограждения лестничной клетки. Например, когда дверь в ограждении лестничной клетки закрывается, система посылает сигнал, чтобы уменьшить воздушный поток приточного вентилятора. Это изменение не является мгновенным из-за инерционной энергии вращающейся лопасти вентилятора, что вызывает чрезмерный поток воздуха и кратковременное повышение давления в ограждении лестничной клетки. Это избыточное давление может привести к тому, что покидающие его пассажиры не смогут открыть двери на лестничную клетку, а также к ограничению выхода до тех пор, пока давление в лестничной клетке не снизится.
Подход к проектированию гибридных систем
Принимая во внимание достижения в области эмпирических данных по скорости утечки, отраслевых исследований, системных технологий и потенциальных ловушек, выявленных в ранних и современных подходах, описанных выше, гибридный подход традиционных методов и новых технологий может предоставить оптимальное решение для создания избыточного давления на лестничной клетке. Требуемый расход приточного и сбросного воздуха для динамической системы может быть определен во время проектирования с достаточной точностью при использовании современных пакетов моделирования, таких как CONTAM от NIST.
После определения этих воздушных потоков спецификация приточного вентилятора с частотно-регулируемым приводом и утяжеленного барометрического клапана сброса давления может обеспечить выполнение проектных критериев с желаемым уровнем точности. Отличие вентилятора с частотно-регулируемым приводом в этом подходе заключается в том, что вентилятор с частотно-регулируемым приводом настраивается на определенную частоту во время ввода в эксплуатацию, чтобы обеспечить постоянный конкретный расход в корпусе вала. Вес на барометрическом предохранительном демпфере также будет настроен во время ввода в эксплуатацию для сброса избыточного давления в корпусе вала и поддержания перепада давления в допустимых пределах.
Рис. 3. Агенты по вводу в эксплуатацию измеряют воздушный поток через закрытую дверь дымонепроницаемого корпуса во время тестирования системы. Предоставлено: Burns & McDonnell,
.Такой подход обеспечивает большую гибкость при вводе в эксплуатацию и окончательных приемочных испытаниях. Если заводские условия вала незначительно отличаются от исходной конструкции, компоненты системы можно легко отрегулировать по мере необходимости. Воздушный поток, обеспечиваемый приточным вентилятором частотно-регулируемого привода, можно регулировать по мере необходимости путем модуляции уставки частоты частотно-регулируемого привода.
Кроме того, вес демпфера может быть увеличен или уменьшен по мере необходимости, чтобы стравить избыточное давление на валу и надлежащим образом сбалансировать перепад давления в установленных пределах. Наконец, из-за относительно стационарного характера системы, использующей этот гибридный подход, система повышения давления на лестничной клетке потребует небольшого обслуживания, если оно вообще потребует, для достижения одинаковых воспроизводимых характеристик системы через пять, 10 и 15 лет после ввода в эксплуатацию.
В результате этого гибридного подхода дымонепроницаемая оболочка будет находиться под давлением, чтобы соответствовать критериям работы по перепаду давления с помощью надежной, не требующей технического обслуживания системы повышения давления на лестнице, которая быстро реагирует на динамические изменения скорости утечки ограждения лестничной клетки с течением времени.
Таблица 1: Здесь представлена сводка плюсов и минусов каждой проектной конфигурации системы наддува лестничной клетки. Предоставлено: Burns & McDonnell,
.Хотя процесс проектирования системы наддува лестничной клетки должен учитывать многие специфические для здания переменные и быть совсем не простым, система, используемая для достижения критериев эффективности в ограждении, не должна быть сложной. Проектировщик системы наддува лестничной клетки должен иметь в виду, что в дополнение к проектированию, отвечающему критериям производительности, система должна обеспечивать требуемые функциональные возможности с высоким уровнем гибкости, надежности и минимальными затратами на долгосрочное обслуживание.
Почему в самолетах находится давление? — Сообщение в блоге CAU Aviation
«Для вашего комфорта в салоне будет повышенное давление». Пассажиры слышат это как часть объявлений в полете, когда садятся на свои места, но большинство из них может не знать, как это происходит, а тем более почему.
Наддув самолета кажется загадкой; тем, кто обладает этими знаниями, важно хорошо понимать, как это работает. Даже пилоты, которые летают на небольших самолетах на малых высотах, должны изучить вопросы герметизации.Полное понимание герметизации поможет вам стать более информированным пилотом и членом авиационного сообщества.
Атмосферные реальностиАтмосфера, окружающая Землю, простирается примерно на триста миль над уровнем моря. Хотя это и не видно, воздух имеет массу. На уровне моря давление воздуха составляет около 14,7 фунтов на квадратный дюйм. Чем дальше от уровня моря человек поднимается, тем меньше давление воздуха действует на наши тела.
Даже находясь на уровне моря, можно почувствовать это, когда уши лопнут во время езды на лифте.В гористой местности у людей, плохо знакомых с возвышенностями, может возникнуть затруднение дыхания во время нагрузки или головокружение при движении в гору.
Вы могли видеть кадры или изображения летчиков-истребителей или пилотов высотных реактивных самолетов в масках в кабине. Это потому, что они летают на очень больших высотах и нуждаются в кислороде. Атмосферное давление падает до половины того, что мы испытываем на высоте около 18 000 футов; здесь — около 7,3 фунта на квадратный дюйм.
Это тот момент, когда человеку для нормальной жизнедеятельности необходим кислород — взрослые проживут без него всего около получаса, прежде чем потеряют сознание.По этой же причине в потолке ждут кислородные маски, которые пассажиры могут надеть в случае разгерметизации.
Транспорт для людей на больших высотахПоскольку большинство больших пассажирских и турбореактивных самолетов летают на высоте от 30 000 до 43 000 футов над уровнем моря, требуется наддув; без него человек будет оставаться в сознании менее минуты, так как он или она будет испытывать давление около 4 фунтов на квадратный дюйм.
Причина, по которой пилоты и авиакомпании готовы пойти на небольшой риск потенциальной разгерметизации на больших высотах, заключается в том, что для пилотов важно иметь возможность легко избегать высоких участков суши — Скалистые горы, например, находятся на высоте более 14 000 футов над уровнем моря. уровень моря.
Кроме того, авиакомпании и пилоты хотят обеспечить пассажирам как можно более плавную поездку. Сильные грозы и воздушные карманы кружатся в нижних краях атмосферы. Турбулентность не только расстраивает нервных пассажиров, но и ставит под угрозу бортпроводников, которые могут перемещаться по салону с очень горячими напитками.
Турбулентность также может со временем начать изнашиваться на планере и управляющих поверхностях самолета. Это мешает пассажирам, которые могут пытаться спать или работать.Короче говоря, это может вызвать недовольство клиентов, поэтому полеты выше, чтобы пассажирам было комфортнее, в интересах авиакомпании.
Если не считать турбулентности, лететь выше означает лететь быстрее. Поскольку самолет испытывает меньшее «сопротивление» в более тонких средних и верхних слоях атмосферы, он может достичь пункта назначения за более короткое время.
Это также означает, что требуется меньше топлива, и самолет может перевозить больше пассажиров и грузов. Дешевле и быстрее — всегда цели в авиационной отрасли.
Существует также техническая и физическая причина полета на высоте более 30 000 футов: двигатели самолетов предназначены для работы на такой высоте. Почему? Это золотая середина в атмосфере, при которой турбовентиляторный двигатель может работать эффективно, но находящиеся в самолете люди не нуждаются в дополнительном кислороде за пределами герметичной кабины.
Думайте о низких высотах как о «более плотном» воздухе; чем ближе к земле находится самолет, тем больше подъемной силы и мощности ему требуется, чтобы преодолеть воздушный поток Земли и оставаться в воздухе.
Как работает герметизацияВ герметичных кабинах обычно поддерживается давление от 11 до 12 фунтов на квадратный дюйм. Герметизация внутри самолета — это то, что позволяет пассажирам и экипажу дышать комфортно и сохранять сознание.
Поскольку невозможно полностью герметизировать фюзеляж самолета без малейших утечек, обеспечивая при этом достаточное количество кислорода для каждого человека на борту, пассажирские самолеты оснащаются системой наддува, также известной как система экологического контроля.
Системы наддува предназначены для постоянной замены внутреннего воздуха воздухом извне самолета. Это происходит у выпускного клапана или клапанов, которые находятся в кормовой части самолета.
Выпускные клапаны механизированы с автоматическим управлением. В случае, если давление в кабине необходимо снизить, выпускной клапан открывается для контролируемого стравливания воздуха. Для поддержания или повышения давления клапан закрывается.
Это обеспечивает постоянную циркуляцию свежего воздуха в салоне.На некоторых самолетах давление возникает в результате сгорания двигателей. Каждые 2–3 минуты во время крейсерского полета пассажиры дышат полностью освеженным воздухом.
Кислород поступает извне самолета. Он называется «стравливаемый воздух» и передается от компрессора двигателя перед тем, как пройти через последовательность сгорания. Отводимый воздух также используется для защиты двигателя и крыльев от обледенения на больших высотах.
Мифы и факты о герметизацииНекоторые ошибочно полагают, что грузовые трюмы пассажирских самолетов не находятся под давлением, и поэтому не хотят помещать своих домашних животных в трюм.
Однако весь фюзеляж самолета находится под давлением не только для предотвращения потери сознания экипажем и пассажирами, но и для поддержания работоспособности самолета. Единственные самолеты, которые летают без систем наддува, — это специализированные военные самолеты.
В редких случаях внутри фюзеляжа происходит внезапная разгерметизация. Иногда это называют «взрывной декомпрессией». В фильмах разгерметизация означает, что люди и предметы внезапно высасываются из самолета.
Однако в действительности экипаж и пассажиры подвергаются гораздо большей опасности переохлаждения и гипоксии в случае разгерметизации (хотя ни то, ни другое не является обычным явлением).
Возможно, вы слышали, что воздух в самолетах «сухой» и «несвежий». Хотя система наддува создает среду с низкой влажностью, ее постоянно заменяют в салоне. Из-за засушливого характера кислорода в салоне рекомендуется пить много воды во время полета.
г.Мэтью А. Джонстон имеет более чем 23-летний опыт работы на различных должностях в сфере образования и в настоящее время является президентом Калифорнийского авиационного университета. Он поддерживает членство и поддерживает несколько ассоциаций по продвижению и защите авиации, включая Университетскую авиационную ассоциацию (UAA), Региональную ассоциацию авиакомпаний (RAA), AOPA, NBAA и EAA с программой Young Eagles. Он гордится своим сотрудничеством с авиакомпаниями, авиационными предприятиями и отдельными авиационными профессионалами, которые работают с ним над развитием Калифорнийского авиационного университета как лидера в обучении авиационных специалистов.
Системы наддува самолетов | Авиационные системы
Давление атмосферы
Газы атмосферы (воздух) хоть и невидимы, но имеют вес. Столб воздуха размером один квадратный дюйм, простирающийся от уровня моря в космос, весит 14,7 фунта. Таким образом, можно утверждать, что атмосферное давление или атмосферное давление на уровне моря составляет 14,7 фунтов на квадратный дюйм. [Рисунок 1]
| Рис. 1. Вес, оказываемый столбом воздуха размером 1 квадратный дюйм, простирающимся от уровня моря до верхних слоев атмосферы, — это то, что измеряется, когда говорят, что атмосферное давление равно 14 .7 фунтов на квадратный дюйм |
Атмосферное давление также известно как барометрическое давление и измеряется барометром. [Рис. 2] Выраженные различными способами, например, в дюймах ртутного столба или миллиметрах ртутного столба, эти измерения происходят из наблюдения за высотой ртутного столба, когда давление воздуха действует на резервуар с ртутью, в который помещается столбик. Из колонки необходимо откачать воздух, чтобы воздух внутри не препятствовал поднятию ртути. Столб ртути 29.92 дюйма в высоту весит столько же, сколько столб воздуха, простирающийся от уровня моря до верхних слоев атмосферы, и имеет такое же поперечное сечение, как столб ртути.
| Рис. 2. Вес атмосферы давит на ртуть в резервуаре барометра, что вызывает подъем ртути в колонке. На уровне моря ртуть поднимается в столбик примерно на 29,92 дюйма. Поэтому говорят, что барометрическое давление равно 29.92 дюйма ртутного столба на уровне моря |
Авиаторы часто обмениваются ссылками на атмосферное давление между линейным смещением (например, в дюймах ртутного столба) и единицами силы (например, фунты на квадратный дюйм). С годами метеорология переместила использование представления линейного смещения атмосферного давления в единицы силы. Однако единицей силы, которая сегодня почти повсеместно используется для представления атмосферного давления в метеорологии, является гектопаскаль (гПа). Гектопаскаль — это метрическая единица (СИ), которая выражает силу в ньютонах на квадратный метр.1013,2 гПа равно 14,7 фунтов на квадратный дюйм. [Рисунок 3]
| Рис. 3. Различные эквивалентные представления атмосферного давления на уровне моря |
Атмосферное давление уменьшается с увеличением высоты. Самым простым объяснением этого является то, что взвешиваемый столб воздуха короче. Как давление изменяется для данной высоты, показано на рисунке 4. Давление падает быстро, и на высоте 50 000 футов атмосферное давление упало почти до одной десятой значения на уровне моря.
| Рис. 4. Атмосферное давление уменьшается с высотой. На уровне моря давление составляет 14,7 фунтов на квадратный дюйм, а на высоте 40000 футов, как показано пунктирными линиями, давление составляет всего 2,72 фунтов на квадратный дюйм |
Температура и высота
Колебания температуры в атмосфере беспокоят авиаторов. Погодные системы вызывают изменения температуры у поверхности земли. Температура также изменяется с увеличением высоты.Тропосфера — это самый нижний слой атмосферы. В среднем он колеблется от поверхности земли до примерно 38 000 футов над ней. Над полюсами тропосфера простирается всего на 25 000–30 000 футов, а на экваторе может достигать около 60 000 футов. Эта продолговатая природа тропосферы проиллюстрирована на рис. 5.
| Рис. 5. Тропосфера простирается выше поверхности земли на экваторе, чем на полюсах |
Выше тропопаузы находится стратосфера. Температура увеличивается с высотой в стратосфере примерно до 0 ° C, а затем снова снижается в мезосфере, которая находится над ней. В стратосфере содержится озоновый слой, который защищает жителей Земли от вредных ультрафиолетовых лучей.Некоторые гражданские полеты и многочисленные военные полеты происходят в стратосфере. На рисунке 6 показаны графики изменения температуры в разных слоях атмосферы.
| Рис. 6. Слои атмосферы с изменениями температуры, изображенные красной линией |
| Рис. 7. Системы окружающей среды в салоне создают условия, совершенно отличные от тех, которые существуют вне самолета |
Условия герметизации
Следующие термины следует понимать при обсуждении систем наддува и климатических систем кабины, которые следует далее:
- Высота в кабине — с учетом давления воздуха внутри кабины, высота в стандартный день с таким же давлением, как и в кабине.Вместо того чтобы говорить, что давление внутри кабины составляет 10,92 фунтов на квадратный дюйм, можно сказать, что высота кабины составляет 8000 футов (над уровнем моря).
- Перепад давления в кабине — разница между давлением воздуха внутри кабины и давлением воздуха вне кабины. Давление в кабине (фунт / кв. Дюйм) — давление окружающей среды (фунт / кв. Дюйм) = перепад давления в кабине (фунт / кв. Дюйм или Δ фунт / кв. Дюйм).
- Скороподъемность кабины — скорость изменения давления воздуха внутри кабины, выраженная в футах в минуту при изменении высоты кабины.
Проблемы с наддувом
Источники сжатого воздуха
Контроль давления в салоне
Самолеты под давлением
.