Способы наддува двигателя

В современном автомобилестроении наддув двигателей выполняется различными способами, для реализации которых применяют основанные на разных принципах действия нагнетатели и турбокомпрессоры. Исторически сложилось так, что термин "нагнетатель" применяется, в основном, к устройствам сжатия воздуха, имеющим механический привод от коленчатого вала двигателя.

Наддув двигателя с помощью нагнетателей, имеющих механический привод от коленчатого вала, известен с 30-х годов. В настоящее время наиболее известны конструкции механических нагнетателей Roots, Sprintex (со спиральными лопастями), Zoller, Wankel. Справедливости ради следует сказать, что нагнетатели фирмы Wankel и Zoller (шиберные или пластинчатые) так и не вышли из стадии опытной разработки.

Более сложным технологически в изготовлении является нагнетатель серии G, получивший свое название из-за формы спиралей, напоминающей эту букву. Идея такого нагнетателя была известна еще в начале XX века, но впервые была реализована фирмой Volkswagen в 1985 г. Нагнетателем G40 фирма VW оснащала двигатели автомобилей Polo вплоть до 1994 г. При рабочем объеме двигателя 1,3л применение наддува позволило получить мощность 83,2 кВт (113 л.с.). С 1988 г. фирма комплектовала некоторые двигатели автомобилей Corrado и Passat нагнетателем повышенной производительности G60, в результате чего при рабочем объеме двигателя 1,8 л он развивал мощность 117,8 кВт (160 л.с.). Цифра в маркировке нагнетателей серии G означает ширину их спиралей. При частоте вращения ротора 10200 1/мин нагнетатель серии G способен создать избыточное давление до 0,72 бар. При параметрах нагнетателя, обеспечивающих наибольшее значение максимального крутящего момента, заслонка перепускного трубопровода во время работы бензинового двигателя на номинальной мощности должна приоткрываться, чтобы избежать переобеднения смеси.

Общий существенный недостаток, присущий всем нагнетателям с механическим приводом от KB, - это необходимость затрат на их привод части мощности, развиваемой двигателем. По этой причине при одинаковом давлении наддува двигатель с нагнетателем несколько проигрывает в экономичности двигателю с турбокомпрессором.

Главные преимущества нагнетателей с механическим приводом от KB заключаются в том, что при воздействии на педаль акселератора их производительность практически мгновенно изменяется. Это позволяет обеспечивать быструю ответную реакцию двигателя на изменение нагрузки и его высокую приёмистость. Кроме того, двигатель с таким нагнетателем характеризуется более крутой кривой зависимости мощности от частоты вращения KB и отличается достаточно большим крутящим моментом при пониженной частоте вращения.

Именно благодаря названным преимуществам эти нагнетатели достаточно широко применяются при тюнинге двигателей автомобилей, к динамическим качествам которых предъявляются повышенные требования. Последнее наглядно продемонстрировано на международной автомобильной выставке во Франкфурте в сентябре 1999г., где представили свою продукцию три десятка европейских тюнинговых фирм. Так фирма Lorinser показала автомобили Mercedes с V-образными 8-цилиндровыми бензиновыми двигателями, оборудованными системой впрыскивания с измерителем массового расхода воздуха и нагнетателем с механическим приводом. Благодаря наддуву мощность базового двигателя Е430 была увеличена на 24% и составила 255,4 кВт (347 л.с.). Максимальный крутящий момент возрос на 27,5% и достиг значения 510 Нм. Форсирование аналогичным способом базового двигателя Е 50 AMG позволило увеличить мощность и максимальный крутящий момент примерно на 17%, в результате чего эти показатели достигли значений соответственно 305,4 кВт (415 л.с.) и 620 Нм.

В нагнетателях, названных выше, сжатие воздуха и вытеснение его во впускной коллектор двигателя происходит благодаря уменьшению объема полости, заключенной между рабочими элементами нагнетателя. То есть имеет место механическое сжатие свежего заряда (отсюда, вероятнее всего, и возник термин "механический" нагнетатель). В волновом нагнетателе Comprex фирмы Asea-Brown-Boweri объем аксиально расположенных полостей в роторе не изменяется. По конструкции ротор, имеющий механический привод от KB, напоминает барабан револьвера. При вращении ротора торец полости с заполнившим ее свежим воздухом подходит к отверстию, через которое в эту полость начинают поступать отработавшие газы. В результате взаимодействия горячих ОГ с холодным воздухом образуется волна давления. Фронт этой волны сжимает воздух и при подходе торца полости к отверстию впускного коллектора происходит вытеснение воздуха в коллектор. Так как ротор продолжает вращаться, то торец полости ротора уходит от отверстия впускного коллектора, и ОГ не успевают проникнуть туда вслед за сжатым воздухом. Выпуск ОГ происходит уже в отверстие выпускного трубопровода, после чего в полости ротора создается разрежение, способствующее наполнению полости свежим воздухом при перемещении торца ротора к отверстию впускного трубопровода. Далее этот процесс при вращении ротора повторяется в каждой его полости. Волновой нагнетатель уже достаточно хорошо себя зарекомендовал и успешно применяется некоторыми автомобильными фирмами. В частности, японская фирма Mazda использует его на одном из своих серийных двигателей.

Сравнение приёмистости механического и волнового нагнетателей показывает, что оба они достаточно быстро реагируют на изменение положения педали акселератора, обеспечивая требуемое давление наддува за считанные доли секунды. Тем не менее, механический нагнетатель делает это несколько быстрее.

Реакция турбокомпрессора (ТК) на изменение положения педали акселератора более замедленная. Для примера можно привести такие цифры: с момента изменения положения педали в режиме холостого хода давление наддува в 1,5 бар механический нагнетатель обеспечивает примерно за 0,25 с, волновой нагнетатель - за 0,80 с, а ТК - за 2,15 с. Такая низкая приёмистость объясняется отсутствием механической связи ротора ТК с коленчатым вала двигателя. Замедленная реакция срабатывания ТК на изменение частоты вращения KB наглядно представлена на рис. 4.2.1.

Рис. 4.2.1. Изменение параметров рабочего процесса дизельного двигателя 8ЧН13/14 при пуске из холодного состояния при температуре окружающей среды +20 °С: - абсолютное давление наддува; - частота вращения ротора ТК; - коэффициент избытка воздуха; - частота вращения KB; - максимальное давление сгорания; - давление конца сжатия

На рис. 4.2.1 отсчет времени дан с момента достижения ВМТ поршнем в индицируемом цилиндре. Как видно из рисунка, в течение первых 0,6...0,7 с при возрастающей частоте вращения KB давление во впускном коллекторе уменьшается, несмотря на повышение значения . Некоторое увеличение при этом коэффициента избытка воздуха является следствием уменьшения цикловой подачи топлива, обеспечиваемой регулятором частоты вращения КВ. Монотонное увеличение давления наддува pka начинает проявляться лишь по достижении ротором ТК значения nk =. 8500 1/мин. На значительную инерционность ротора ТК указывает и то, что после выключения регулятором цикловой подачи топлива при достижении коленчатым валом частоты вращения 1200 1/мин и последующем отсутствии вспышек в цилиндрах двигателя в течение примерно 0,6 с частота вращения ротора ТК продолжает возрастать. Но даже при 1/мин давление наддува остается все еще ниже атмосферного давления. Это обстоятельство косвенно указывает на то, что при частичных нагрузках энергии отработавших газов недостаточно, чтобы обеспечить давление наддува, необходимое для создания повышенного крутящего момента.

Причины плохой приёмистости ТК обусловлены принципом его действия. В турбокомпрессоре с одного конца ротора жестко закреплено турбинное колесо, а с другого конца - компрессорное колесо. Протекающие через лопатки турбинного колеса горячие отработавшие газы приводят ротор во вращение, благодаря чему компрессорное колесо вращается с такой же скоростью и производит сжатие и подачу в двигатель необходимого ему воздуха. Обеспечив таким образом подачу в цилиндры большего количества воздуха, можно увеличить и количество подаваемого топлива, повышая за счет этого агрегатную мощность двигателя. При этом на привод ТК не требуется отбирать от двигателя часть его мощности, как это имеет место в случае применения нагнетателей с механическим приводом. В данном случае ТК для сжатия свежего заряда использует часть энергии отработавших газов, которая в двигателях без наддува безвозвратно теряется. Благодаря этому у двигателя с турбонаддувом эффективный КПД и экономичность несколько выше, чем у двигателя без наддува или с нагнетателем, имеющим механический привод. Однако по приёмистости двигатель с турбонаддувом из-за инерционности ТК уступает как двигателю без наддува, так и двигателю с нагнетателем, имеющим механический привод.

Турбокомпрессоры для автомобильных двигателей имеют относительно небольшие габаритные размеры и незначительную массу. Чем меньше габариты ТК, тем большую частоту вращения может иметь ротор (нередко она превышает значение 100 000 1/мин). Наиболее известными в мире изготовителями ТК для легковых автомобилей считаются немецкая фирма ККК (Kuhnle, Kopp и Kausch), специализирующиеся по турбонаддуву американская фирма Garrett и японская фирма IHI. Названные фирмы в программе поставок имеют ТК различных типоразмеров практически для любого диапазона мощности.

На практике для правильного выбора ТК, предназначенного для наддува автомобильного двигателя сравнительно небольшой мощности, необходимо знать следующие параметры двигателя:

рабочий объем;

· максимальную частоту вращения KB;

· максимальную мощность;

· внешнюю скоростную характеристику по мощности.