Наддув двигателя (двс)

Задача повышения мощности и крутящего момента двигателя была актуальна всегда. Мощность двигателя напрямую связана с рабочим объемом цилиндров и количеством подаваемой в них топливо-воздушной смеси. Т.е., чем больше в цилиндрах сгорает топлива, тем более высокую мощность развивает силовой агрегат. Однако самое простое решение – повысить мощность двигателя путем увеличения его рабочего объема приводит к увеличению габаритов и массы конструкции.

Количество подаваемой рабочей смеси можно поднять за счет увеличения оборотов коленчатого вала (другими словами, реализовать в цилиндрах за единицу времени большее число рабочих циклов), но при этом возникнут серьезные проблемы, связанные с ростом сил инерции и резким увеличением механических нагрузок на детали силового агрегата, что приведет к снижению ресурса мотора. Наиболее действенным способом в этой ситуации является наддув.

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

В ДВС применяют три типа наддува:

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

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

Содержание статьи

• 1 Резонансный наддув
• 2 Механический наддув
• 3 Газотурбинный наддув
• 4 Комбинированные системы
• 5 Рекомендации

Резонансный наддув

Настраиваемый впускной коллектор

Как уже отмечалось в начале статьи, для лучшего наполнения цилиндра следует поднять давление перед впускным клапаном. Между тем повышенное давление необходимо вовсе не постоянно – достаточно, чтобы оно поднялось в момент закрытия клапана и «догрузило» цилиндр дополнительной порцией воздуха. Для кратковременного повышения давления вполне подойдет волна сжатия, «гуляющая» по впускному трубопроводу при работе мотора. Достаточно лишь рассчитать длину самого трубопровода, чтобы волна, несколько раз отразившись от его концов, пришла к клапану в нужный момент.

Теория проста, а вот воплощение ее требует немалой изобретательности: клапан при разных оборотах коленчатого вала открыт неодинаковое время, а потому для использования эффекта резонансного наддува требуются впускные трубопроводы переменной длины. При коротком впускном коллекторе мотор лучше работает на высоких оборотах , при низких оборотах более эффективен длинный впускной тракт. Переменные длины впускных трубопроводов можно создать двумя способами: или путем подключения резонансной камеры, или через переключение на нужный впускной канал или его подключение. Последний вариант называют еще динамическим наддувом. Как резонансный, так и динамический наддув могут ускорить течение впускного столба воздуха.

Эффекты наддува, создаваемые за счет колебаний напора воздушного потока, находится в диапазоне от 5 до 20 миллибар. Для сравнения: с помощью турбонаддува или механического наддува можно получить значения в диапазоне между 750 и 1200 миллибар. Для полноты картины отметим, что существует еще инерционный наддув, при котором основным фактором создания избыточного давления перед клапаном является скоростной напор потока во впускном трубопроводе. Дает незначительную прибавку мощности при высоких (больше 140 км/ч) скоростях движения. Используется в основном на мотоциклах.

Механический наддув

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

Механические нагнетатели

Существует два вида механических нагнетателей: объемные и центробежные.

Типичными представителемя объемных нагнетателей являются нагнетатель Roots и компрессор Lysholm.

Конструкция Roots напоминает масляный шестеренчатый насос. Два ротора вращаются в противоположные стороны внутри овального корпуса. Оси роторов связаны между собой шестернями. Особенность такой конструкции в том, что воздух сжимается не в нагнетателе, а снаружи – в трубопроводе, попадая в пространство между корпусом и роторами. Основной недостаток – в ограниченном значении наддува. Как бы безупречно ни были подогнаны детали нагнетателя, при достижении определенного давления воздух начинает просачиваться назад, снижая КПД системы. Способов борьбы немного: увеличить скорость вращения роторов либо сделать нагнетатель двух- и даже трехступенчатым.

Таким образом можно повысить итоговые значения до приемлемого уровня, однако многоступенчатые конструкции лишены своего главного достоинства – компактности. Еще одним минусом является неравномерное нагнетание на выходе, ведь воздух подается порциями. В современных конструкциях применяются трехзубчатые роторы спиральной формы, а впускное и выпускное окна имеют треугольную форму. Благодаря этим ухищрениям нагнетатели объемного типа практически избавились от пульсирующего эффекта. Невысокие скорости вращения роторов, а следовательно, долговечность конструкции вкупе с низким шумом привели к тому, что ими щедро оснащают свою продукцию такие именитые бренды, как DaimlerChrysler, Ford и General Motors.

Объемные нагнетатели поднимают кривые мощности и крутящего момента, не изменяя их формы. Они эффективны уже на малых и средних оборотах, а это наилучшим образом сказывается на динамике разгона. Проблема лишь в том, что подобные системы очень прихотливы в изготовлении и установке, а значит, довольно дороги.

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

Механический наддув

Центробежные нагнетатели по конструкции напоминают турбонаддув. Избыточное давление во впускном коллекторе также создает компрессорное колесо (крыльчатка). Его радиальные лопасти захватывают и отбрасывают воздух в окружной тоннель при помощи центробежной силы. Отличие от турбонаддува лишь в приводе. Центробежные нагнетатели страдают аналогичным, хотя и менее заметным инерционным пороком, но есть и еще одна важная особенность. Фактически величина производимого давления пропорциональна квадрату скорости компрессорного колеса.

Проще говоря, вращаться оно должно очень быстро, чтобы надуть в цилиндры необходимый воздушный заряд, порой в десятки раз превышая обороты двигателя. Эффективен центробежный нагнетатель на высоких оборотах. Механические «центробежники» не так капризны в обслуживании и долговечнее газодинамических собратьев, поскольку работают при менее экстремальных температурах. Неприхотливость, а следовательно, и дешевизна конструкции снискали им популярность в сфере любительского тюнинга.

Интеркулер

Схема управления механическим нагнетателем довольно проста. При полной нагрузке заслонка перепускного трубопровода закрыта, а дроссельная открыта — весь поток воздуха поступает в двигатель. При работе с частичной нагрузкой дроссельная заслонка закрывается, а заслонка трубопровода открывается — избыток воздуха возвращается на вход нагнетателя. Входящий в схему охладитель наддувочного воздуха (Intercooler) является почти непременной составной частью не только механических, но и газотурбинных систем наддува.

При сжатии в компрессоре (либо в нагнетателе) воздух нагревается, в результате чего его плотность уменьшается. Это приводит к тому, что в рабочем объеме цилиндра воздуха, а, следовательно, и кислорода, по массе помещается меньше, чем могло бы поместиться при отсутствии нагревания. Поэтому сжатый воздух перед подачей его в цилиндры двигателя предварительно охлаждается в интеркулере. По своей конструкции это обычный радиатор, который охлаждается либо потоком набегающего воздуха, либо охлаждающей жидкостью. Понижение температуры наддувочного воздуха на 10 градусов позволяет увеличить его плотность примерно на 3%. Это, в свою очередь, позволяет увеличить мощность двигателя примерно на такой же процент.

Газотурбинный наддув

Турбокомпрессор

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

К достоинствам турбонаддува относят: повышение КПД и экономичности мотора (механический привод отбирает мощность у двигателя, этот же использует энергию отработавших газов, следовательно, КПД увеличивает). Не следует путать удельную и общую экономичность мотора. Естественно, для работы двигателя, мощность которого возросла за счет применения турбонаддува, требуется больше топлива, чем для аналогичного безнаддувного мотора меньшей мощности. Ведь наполнение цилиндров воздухом улучшают, как мы помним, для того, чтобы сжечь в них большее количество топлива. Но массовая доля топлива, приходящаяся на единицу мощности в час у двигателя, оснащенного ТК, всегда ниже, чем у схожего по конструкции силового агрегата, лишенного наддува.

Турбонаддув дает возможность достичь заданных характеристик силового агрегата при меньших габаритах и массе, чем в случае применения “атмосферного” двигателя. Кроме того, у турбодвигателя лучше экологические показатели. Наддув камеры сгорания приводит к снижению температуры и, следовательно, уменьшению образования оксидов азота. В бензиновых двигателях наддувом добиваются более полного сгорания топлива, особенно на переходных режимах работы. В дизелях дополнительная подача воздуха позволяет отодвинуть границу возникновения дымности, т. е. бороться с выбросами частиц сажи.

Дизели существенно лучше приспособлены к наддуву вообще, и к турбонаддуву в частности. В отличие от бензиновых моторов, в которых давление наддува ограничивается опасностью возникновения детонации, им такое явление неведомо. Дизель можно наддувать вплоть до достижения предельных механических нагрузок в его механизмах. К тому же отсутствие дросселирования воздуха на впуске и высокая степень сжатия обеспечивают большее давление отработавших газов и их меньшую температуру в сравнении с бензиновыми моторами. В общем, как раз то, что нужно для применения турбокомпрессора. Турбокомпрессоры более просты в изготовлении, что окупает ряд присущих им недостатков.

VNT турбокомпрессор

При низкой частоте вращения двигателя количество отработавших газов невелико, соответственно, эффективность работы компрессора невысока. Кроме того, турбонаддувный двигатель, как правило, имеет т. н. «турбояму» (по-английски “turbo-lag”) — замедленный отклик на увеличение подачи топлива. Вам нужно резко ускориться — вдавливаете педаль газа в пол, а двигатель некоторое время «думает» и лишь потом подхватывает. Объяснение простое — требуется время, пока мотор наберет обороты, увеличится давление выхлопных газов, раскрутится турбина, с ней крыльчатка нагнетателя – и наконец, “пойдет” воздух. Избавиться от указанных недостатков конструкторы пытаются разными способами. В первую очередь, снижением массы вращающихся деталей турбины и компрессора. Ротор современного турбокомпрессора настолько мал, что легко умещается на ладони.

Снижение массы достигается не только конструкцией ротора, но и выбором для него соответствующих материалов. Основная сложность при этом- высокая температура отработавших газов. Металлокерамический ротор турбины примерно на 20% легче изготовленного из жаростойких сплавов, да к тому же обладает меньшим моментом инерции. До последнего времени срок службы всего агрегата ограничивала долговечность подшипников. По сути, это были вкладыши, подобные вкладышам коленчатого вала, которые смазывались маслом под давлением. Износ таких подшипников скольжения был, конечно, велик, однако шариковые не выдерживали огромной частоты вращения и высоких температур. Выход нашли когда удалось разработать подшипники с керамическими шариками. Однако достойно удивления не применение керамики – подшипники заполнены постоянным запасом пластичной смазки, то есть канал от штатной масляной системы двигателя уже не нужен!

Избавиться от недостатков турбокомпрессора позволяет не только уменьшение инерционности ротора, но и применение дополнительных, иногда довольно сложных схем управления давлением наддува. Основные задачи при этом — уменьшение давления при высоких оборотах двигателя и повышение его при низких. Полностью решить все проблемы можно использованием турбины с изменяемой геометрией (Variable Nozzle Turbine), например, с подвижными (поворотными) лопатками , параметры которой можно менять в широких пределах.

Принцип действия VNT турбокомпрессора заключается в оптимизации потока выхлопных газов, направляемых на крыльчатку турбины. На низких оборотах двигателя и малом количестве выхлопных газов VNT турбокомпрессор направляет весь поток выхлопных газов на колесо турбины, тем самым увеличивая ее мощность и давление наддува. При высоких оборотах и высоком уровне газового потока турбокомпрессор VNT располагает подвижные лопатки в открытом положении, увеличивая площадь сечения и отводя часть выхлопных газов от крыльчатки, защищая себя от превышения оборотов и поддерживая давление наддува на необходимом двигателю уровне, исключая перенаддув.

Комбинированные системы

Двухступенчатый наддув

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

Ряд производителей устанавливают на свои моторы сразу два турбокомпрессора. Такие системы называют «битурбо» или «твинтурбо». Принципиальной разницы в них нет, за одним лишь исключением. «Битурбо» подразумевает использование разных по диаметру, а следовательно и производительности, турбин. Причем алгоритм их включения может быть как параллельным, так и последовательным (секвентальным). На низких оборотах быстро раскручивается и вступает в работу турбонаддув маленького диаметра, на средних к нему подключается «старший брат».

Таким образом, выравнивается разгонная характеристика автомобиля. Система дорогостоящая, поэтому ее можно встретить на престижных автомобилях, например Maserati или Aston Martin. Основная задача «твинтурбо» заключается не в сглаживании «турбоямы», а в достижении максимальной производительности. При этом используются две одинаковые турбины. Устанавливаются «твин-» и «битурбо» как на V-образные блоки, так и на рядные моторы. Варианты подключения турбин также идентичны системе «битурбо». В чем же смысл? Дело в том, что производительность турбины напрямую зависит от двух ее параметров: диаметра и скорости вращения. Оба показателя весьма капризны. Увеличение диаметра приводит к повышению инерционности и, как следствие, к пресловутой «турбояме». Скорость же турбины ограничивается допустимыми нагрузками на материалы. Поэтому две скромные и менее инерционные турбины могут оказаться эффективнее одной большой.

Рекомендации

Во-первых, вовремя меняйте масло и масляный фильтр. Во-вторых, используйте только масло, предназначенное для двигателей, оборудованных турбонаддувом, которое изначально рассчитано на более высокие температуры, чем обычное. Но в дороге всякое может случиться, и если вам пришлось залить неизвестное масло, то не гоните, двигайтесь потихоньку. Двигатель это масло переживет, а вот турбонаддув — не обязательно. Приехав домой, сразу же смените масло и масляный фильтр.

И, наконец, третье, самое главное условие нормальной работы турбонаддува. В жизни турбины есть два самых ответственных момента: запуск двигателя и его остановка. При запуске холодного двигателя масло в нем имеет высокую вязкость, оно с трудом прокачивается по зазорам; еще не установились тепловые зазоры; нагрев разных деталей компрессора, а следовательно, и тепловое расширение, идут с разной скоростью. Поэтому не спешите, дайте двигателю прогреться.

Если вам надо остановиться, никогда не глушите двигатель сразу. В зависимости от режима езды дайте ему поработать на холостом ходу 2-5 минут (зимой можно дольше). За это время вал турбины снизит обороты до минимальных, а детали, непосредственно соприкасающиеся с выхлопными газами, плавно остынут. В этой ситуации значительно облегчает жизнь турбо-таймер. Он проследит за тем, чтобы разгоряченный двигатель автомобиля поработал несколько минут на холостом ходу, остужая элементы турбонаддува, даже если владелец уже покинул и закрыл своё авто. Впрочем, подобную функцию имеют и многие охранные сигнализации.

Значение наддува в работе двигателей

Значение наддува в работе двигателей

Весьма активным средством форсирования двигателей является использование наддува, т. е. подачи горючей смеси в цилиндры посредством нагнетателя, который приводится в действие от самого двигателя. Коэффициент наполнения при этом может быть больше единицы. Давление в конце хода впуска больше атмосферного и у некоторых двигателей достигает 4—5 кгс/см2. Плотность смеси при прочих равных условиях (при неизменной температуре) пропорциональна ее давлению, а значит, и количество топлива, вводимого в цилиндр при каждом ходе впуска, увеличивается с повышением давления наддува. В этом и заключается основная причина высокой литровой мощности, развиваемой двигателями с наддувом. Полуторалитровый двигатель при давлении наддува, равном 1 кгс/см2, приблизительно эквивалентен трехлитровому без наддува (если не учитывать затрату мощности на нагнетатель).

Влияние установки нагнетателя на работу двигателя сводится к тому, что среднее эффективное давление увеличивается по всему диапазону изменения частоты вращения вследствие увеличения количества теплоты, выделяющейся при каждой вспышке. Таким образом, переход на принудительное питание дает возможность форсировать рабочий процесс двигателя.

Фирмами, впервые разработавшими автомобильные двигатели с наддувом, были «Мерседес-Даймлер» в 1921 г. , «Фиат» и «Санбим» в 1922—1923 гг. Первые крупные победы автомобили с такими -Двигателями одержали в 1923 г. — Большой приз Европы («Фиат») — ив 1924 г., выиграв Большой приз автомобильного клуба Франции («Альфа Ромео») и гонки «Тарга Флорио» («Мерседес-Даймлер» 2 л).

Рекламные предложения на основе ваших интересов:

Дополнительные материалы по теме:

Уже в самом начале применения нагнетателей удалось добиться увеличения мощности на 50—75% по сравнению с лучшими показателями автомобилей без нагнетателей. Теперь при достаточно высоком давлении наддува мощность может быть увеличена в 3—4 раза.

Рис. 1. Основные этапы развития двигателей гоночного типа

Из предыдущего ясно, что для увеличения мощности нужно стремиться к возможно большему давлению наддува, чтобы вводить в цилиндр большее количество горючей смеси. Развитие двигателей с наддувом шло именно по такому пути: давление наддува систематически увеличивали, чем и объяснялся в основном рост литровой мощности.

На рис. 1 представлены схемы, характеризующие основные этапы развития автомобильных двигателей гоночного типа; решающую роль в направлении этого развития сыграла классификация гоночных автомобилей по рабочему объему двигателя, применявшаяся в течение долгих лет в дорожных кольцевых гонках и безоговорочно остающаяся в силе по сей день при регистрации рекордов. Эта классификация стимулировала развитие главным образом одного параметра — литровой мощности.

Схема I (1898—1903 гг.) изображает тихоходный двигатель низкого сжатия с автоматическими впускными клапанами; в двигателях по схеме II (1905—1906 гг.) быстроходность была увеличена за счет введения управляемых впускных клапанов; схема III (1908—1910 гг.) иллюстрирует распространение верхних клапанов и камер сгорания, допускающих более высокие степени сжатия; схема IV (1912—1924 гг.) дает представление о специальном гоночном двигателе высокого сжатия с распределительным механизмом по системе Цуккарелли. Перечисленные этапы развития конструкции двигателей сопровождались повышением эффективного к. п. д. наряду с возрастанием литровой мощности.

Схема V (1925—1938 гг.) относится к периоду широкого распространения двигателей с наддувом. Однако нужно заметить, что наряду с весьма важными преимуществами применение нагнетателей имеет существенные недостатки. С увеличением давления наддува возрастают давление и температура смеси в конце сжатия, и в связи с этим двигатель может начать детонировать. Для устранения детонации приходится прибегать к уменьшению степени сжатия в цилиндре, несмотря на крайнюю нежелательность такого мероприятия, сопряженного с уменьшением теплоиспользования и возрастанием расхода топлива.

Плохое теплоиспользование увеличивает долю теплоты, подлежащую удалению из цилиндра с охлаждающей водой и отработавшими газами, а следовательно, усиливается нагрев двигателя — его тепловое состояние становится более напряженным.

Дальнейший этап развития по схеме VI (1938—1940 гг. и 1947— 1952 гг.) характеризуется введением двухступенчатого наддува, позволившего получить весьма высокие литровые мощности, но при значительном снижении топливной экономичности двигателя. Ввиду того что эта тенденция не соответствует требованиям автомобильной техники, имеющей целью гармоническое развитие всех эксплуатационных качеств автомобиля, FIA ввела сначала комбинированные классификации, поощрявшие применение двигателей без наддува, а с 1961 г. двигатели с наддувом на дорожно-гоночных автомобилях были совсем запрещены. Эго привело к быстрому усовершенствованию двигателей высокого сжатия без наддува, имеющих теперь почти исключительное распространение на дорожно-гоночных автомобилях.

С 1966 г. формула-1 снова допускает использование наддува. Кроме того, наддув всегда оставался принадлежностью рекордных автомобилей. Широко применяется наддув в США на автомобилях Для гонок на приемистость (дрегстерах), а также в трековых гонках. Наддув успешно используется и на автомобилях групп по современной классификации ФИА. При этом рабочий объем двигателя с наддувом умножается на коэффициент 1,4, после чего его включают в соответствующий класс автомобилей.

Таким образом, изучение наддува как средства форсирования двигателя остается актуальной задачей.

Основной причиной низкой топливной экономичности форсированных двигателей с наддувом являются большие потери теплоты с отработавшими газами. Этот недостаток может быть устранен путем использования энергии отработавших газов в газовой турбине, используемой для привода центробежного нагнетателя. Такая система питания называется турбонаддувом и нередко применяется на гоночных автомобилях.

При турбонаддуве не всегда удается использовать все количество отработавших газов двигателя. Дальнейшим шагом в повышении к. п. д. двигателя является схема VIII. Здесь часть отработавших газов используется в турбине для привода двухступенчатого центробежного нагнетателя, а другая часть — во второй турбине, отдающей свою мощность коленчатому валу двигателя. Такая комбинированная установка может работать экономично и давать большую мощность, так как поршневой двигатель приспособлен для получения механической работы от относительно небольших количеств газа, имеющего высокие давление и температуру, тогда как турбины, наоборот, позволяют эффективно извлекать механическую энергию из относительно больших объемов отработавших газов, имеющих более низкие давление и температуру. С увеличением давления наддува приходится все больше уменьшать степень сжатия; при этом эффективный к. п. д. поршневого двигателя снижается, а роль турбины как тягового двигателя все увеличивается.

Были предложены проекты силовых установок для гоночных автомобилей, в которых двухтактный двигатель с высоким наддувом не был соединен с трансмиссией и служил только генератором газа, используемого в тяговой турбине. По-видимому, логическим завершением этого процесса развития является переход к газовой турбине.

Комбинированные силовые установки до сего времени на гоночных автомобилях не применялись, а газовые турбины устанавливали, в основном, для накопления опытных данных, а не для участия в гонках, хотя имеется несколько рекордов, зарегистрированных для автомобилей с газовыми турбинами. Наиболее удачным оказался опыт применения газовых турбин в трековых гонках (Индианаполис). Мощность турбин лимитировали в 60-х годах допускаемым сечением воздухозаборной части. После трехкратного последовательного уменьшения этого сечения Автомобильный клуб США запретил участие газотурбинных автомобилей в трековых гонках, так как использование двигателей вертолетов могло привести к полному вытеснению поршневых двигателей, и тогда автомобильные гонки в значительной степени потеряли бы связь со своей базовой промышленностью.

Установка приводного нагнетателя влечет за собой ухудшение механического к. п. д., так как часть выигрыша мощности, полученного от принудительного питания двигателя, затрачивается на вращение самого нагнетателя. Эта потеря с увеличением давления наддува быстро возрастает и достигает большой величины. Трехлитровый двигатель «Мер-седес-Бенц» при эффективной мощности 425 л. с. на привод нагнетателя расходовал около 160 л. с.

Уменьшение теплоиспользования и механического к. п. д. приводит к тому, что мощность увеличивается медленнее, чем давление наддува; в частности, при переходе от питания без наддува к питанию с наддувом 1 кгс/см2 мощность увеличивается не вдвое, а приблизительно на 80%. Отсюда возникает вопрос, каков целесообразный предел повышения давления наддува и не наступит ли такой момент, когда улучшение наполнения окажется не в состоянии компенсировать затрату мощности на нагнетатель и ухудшение теплоиспользования. Результаты аналитического исследования этой проблемы подтверждают такие опасения и могут быть представлены графически.

Кривая ре дает изменение среднего эффективного давления в зависимости от давления наддува, отложенного по оси абсцисс, без учета затраты мощности на привод нагнетателя. Кривая рек изображает часть среднего эффективного давления, затрачиваемого на привод нагнетателя, также в зависимости от давления наддува. Как видно из графика, рост рек вначале отстает от роста, а при дальнейшем увеличении давления наддува разрыв между этими величинами быстро уменьшается. Чтобы получить среднее эффективное давление, соответствующее эффективной мощности двигателя, достаточно отнять от ординат кривой р’е ординаты кривой рек. Тогда получим кривую ре изменения среднего эффективного давления двигателя в зависимости от давления наддува. Точкой перегиба а определяется наивыгоднейшее давление наддува — около 5 кгс/см2 (абсолютное), при котором среднее эффективное давление и мощность достигают максимума. График рис. 73 построен из расчета сохранения конечного давления сжатия равным 16,7 кгс/см2 при различных давлениях наддува; это соответствует степени сжатия е = 7,5 для двигателя без наддува. не учитывать потерю мощности на привод нагнетателя, мощность двигателя все’же не будет повышаться безгранично, так как чем сильнее сжимают горючую смесь в нагнетателе, тем меньшую степень сжатия можно использовать в двигателе при определенной детонационной стойкости топлива и, следовательно, в предельном случае все сжатие смеси происходит в нагнетателе, а степень сжатия (и степень расширения) двигателя равна единице; при этом мощность двигателя равна нулю.

Таким образом, улучшение наполнения при наддуве компенсирует ухудшение термического к. п. д. и затрату мощности на нагнетатель только до некоторого значения давления наддува.

Меньшие давления наддува применяются на двигателях с большими цилиндрами ввиду их склонности к перегреву. Наиболее высокие давления наддува лучше всего выдерживают без всяких вредных последствий двигатели с объемом отдельного цилиндра 90—125 см3. Большие давления наддува приводят к очень высоким давлениям вспышки и увеличивают среднюю температуру поршней и выпускных клапанов, несмотря на самое интенсивное охлаждение двигателя.

При современном состоянии развития техники в некоторых случаях прочность основных деталей и их способность выдерживать высокую температуру ограничивают возможность дальнейшего повышения давления наддува.

В какой мере изменяются условия работы двигателя при изменении давления наддува, показывает табл. 23, составленная по данным английского конструктора М. А. Мак Эвоя. Таблица относится к двухцилиндровому мотоциклетному двигателю мощностью 42 л. с. при работе без наддува со степенью сжатия е 9,5. После установки нагнетателя мощность можно увеличить до 72 л. е., если работать с давлением наддува 1 кгс/см2. При этом степень сжатия должна быть снижена до s 6,65. Таким образом, удвоенное давление подачи позволяет увеличить мощность только на 72% вследствие снижения степени сжатия и увеличения затраты энергии на вращение нагнетателя. Максимальное давление вспышки возрастает на 45%, поэтому двигатель с наддувом должен иметь более прочные детали кривошипно-шатунного механизма; при установке нагнетателей на серийные двигатели иногда наблюдаются поломки поршней и поршневых пальцев из-за недостатка запасов прочности. Не менее важное значение имеет сильное увеличение теплового потока, проходящего через двигатель. Под тепловым потоком здесь подразумевается часть теплоты, не превращенная двигателем в механическую работу. Тепловой поток увеличивается быстрее, чем давление наддува; в рассматриваемом примере прирост составляет 117% при давлении наддува 1 кгс/см2.

Быстрый рост теплового потока обусловлен как увеличением заряда цилиндра, так и ухудшением теплоиспользования (уменьшением s). Усилением теплового потока объясняется исключительно напряженный температурный режим работы двигателей с наддувом и необходимость специального конструктивного оформления таких деталей, как поршни, выпускные клапаны и свечи. Поршни должны иметь достаточно толстое днище и массивный пояс за поршневыми кольцами не только для прочности, но и по соображениям отвода интенсивного потока теплоты. Особой тщательности требует подбор свечей, так как выбрасывание нагнетателем некоторого количества масла иногда служит поводом для ошибочной установки свечей слишком «горячего» типа. При больших давлениях наддува рекомендуется устраивать промежуточное охлаждение горючей смеси между нагнетателем и двигателем; такое охлаждение помогает бороться с детонацией и снижает потерю мощности на привод нагнетателя, уменьшая противодавление, несмотря на дополнительное сопротивление радиатора.

На практике доказана возможность использования двигателей с наддувом в гонках с ограничением расхода горючего, если отказаться от высоких давлений наддува. Тогда отпадает необходимость снижения степени сжатия, расход мощности на привод нагнетателя становится незначительным и потому двигатель работает экономично.

В то же время получается известный выигрыш мощности вследствие сохранения удовлетворительного коэффициента наполнения при высокой частоте вращения.

Почему большее ускорение не всегда означает большую мощность

Знаете ли вы, что большее ускорение не всегда приводит к увеличению мощности? Если вы этого не сделали, мы дадим вам несколько причин, почему это так, и что действительно может повлиять на мощность, которую вы надеетесь получить.

Автолюбители хотят модернизировать свой автомобиль, чтобы двигаться быстрее, однако распространенное мнение, что турбокомпрессор может выполнить эту задачу, в некоторых случаях может не соответствовать действительности. Это не меняет того факта, что более высокое давление турбонаддува помогает двигателю развивать большую мощность, хотя большее наддув не всегда означает большую мощность.

Последнее может быть связано с тем, что на скорость вашей поездки также влияет множество факторов. При этом мы продолжим и покажем вам, когда в определенных случаях все может измениться.

Что такое Turbo Boost?

Турбокомпрессоры — это воздушные компрессоры, функционирующие так же, как нагнетатели. Эти компрессоры подают в двигатель больше воздуха, чем поршень мог бы проглотить сам по себе, и этот воздух скапливается во впускном коллекторе, создавая тем самым давление.

Давление называется наддувом и выражается в фунтах на квадратный дюйм (PSI). Турбокомпрессор может перемещать достаточно воздуха, чем двигатель может использовать даже при низком давлении, тем самым вызывая мгновенный наддув, влияющий на мощность.

Чем больше давление турбонаддува, тем больше мощность двигателя. Кроме того, форсирование двигателя с помощью турбокомпрессора помогает увеличить не только мощность двигателя, но и его крутящий момент.

Что вызывает смену власти?

Представьте себе, что у вас есть два автомобиля с турбонаддувом и одинаковым двигателем с одинаковым рабочим объемом. Эти два автомобиля способны развивать наддув в 20 фунтов на квадратный дюйм, однако один из них обеспечивает большую мощность, чем другой.

Это было бы довольно удивительно, хотя вполне возможно. Но вот почему то, что описано выше, может иметь место:

1. Температура входящего воздуха

Исходя из сценария, описанного для транспортных средств выше, они могут не обеспечивать одинаковую мощность, несмотря на одинаковое повышение их давления. Основным фактором, также влияющим на выходную мощность, является температура воздуха, поступающего в двигатель.

Например, если у одной из машин меньший по размеру и менее эффективный турбонагнетатель, он будет работать усерднее и вращаться еще быстрее, пытаясь достичь наддува в 20 фунтов на квадратный дюйм. Тот факт, что турбокомпрессор вращается быстро, заставляет воздух больше нагреваться и, следовательно, быть менее плотным.

Можно сказать, что турбокомпрессор работает против самого себя, так как его быстрое вращение приводит к слишком сильному нагреву воздуха. Когда воздух менее плотный, это означает, что в двигатель не поступает достаточно кислорода, что могло привести к сжиганию большего количества топлива и увеличению выходной мощности. Также следует обратить внимание на следующее:

а. Сжатый воздух

Сжатый воздух также может вызвать нагрев воздуха. В результате плотность кислорода снижается, а вероятность детонации в цилиндре увеличивается. В этом случае вы можете не получить больше лошадиных сил, несмотря на одинаковый рабочий объем обоих транспортных средств.

б. Адиабатический КПД

Адиабатический КПД (AE) определяет, насколько хорошо турбонагнетатель сжимает воздух без чрезмерного выделения тепла. В этом случае диапазон AE компрессора определяется отношением создаваемого им давления к количеству воздуха, которое он может пропустить. Кроме того, компрессоры имеют «золотое пятно», где они могут работать с максимальной эффективностью.

2. Отсутствие интеркулера

Можно утверждать, что обе машины имеют одинаковый турбонагнетатель, что должно было привести к одинаковой мощности. Тем не менее, еще одним фактором, который может вызвать разницу в выходной мощности, является интеркулер.

Если в автомобиле отсутствует интеркулер, это означает, что воздух с турбонаддувом не охлаждается перед подачей в двигатель. По сравнению с автомобилем, в котором есть этот компонент, воздух горячее и в нем меньше кислорода. Следовательно, ограничение такого рода также может повлиять на выходную мощность.

3. Впускные каналы большего размера

Когда дело доходит до использования нагнетателей, можно добиться большей мощности с меньшим наддувом за счет использования впускных каналов большего размера. Что это делает, так это ограничивает поток воздуха, из-за чего в цилиндры поступает больше воздуха. Соответственно, ограничение потока воздуха на высоких оборотах может привести к перемещению большего количества воздуха, тем самым помогая двигателю производить больше мощности.

4. Неисправный турбонагнетатель

Турбокомпрессоры создают давление воздуха перед его подачей в двигатель, что помогает создать давление наддува. Тем не менее, неисправный турбонаддув может привести к замедлению работы вашего двигателя, поэтому вам нужно обратить внимание на эти симптомы, чтобы определить, нужно ли проверить ваш. Некоторые из этих признаков включают потерю нормального давления наддува и мощности, повышенный расход масла, турбошум, чрезмерное дымление выхлопных газов и т. д.

Воздушный поток важнее наддува?

Изучив причины, изложенные выше, вы согласитесь, что это больше касается воздушного потока. Таким образом, больше внимания следует уделять воздушному потоку, и вы сможете достичь необходимой мощности. Например, использование высокого давления наддува только в качестве компенсации плохого потока воздуха через головку блока цилиндров может привести к низкой выходной мощности.

Наоборот, ваше стремление к большей мощности будет достигнуто, если двигатель будет построен правильно, благодаря чему наддув, хороший поток воздуха через головки цилиндров, а также впускной и выпускной коллекторы будут лучше влиять на мощность.

Это позволит снизить наддув на несколько фунтов и в то же время сохранить те же уровни мощности и крутящего момента. В итоге вы получаете более холодный, более октаноустойчивый двигатель, выдающий большую мощность.

Итог

Вот некоторые из причин, по которым наддув может не привести к увеличению мощности, поскольку поступление большего количества кислорода в двигатель также является решающим фактором. Поэтому, если вы хотите увеличить мощность своей поездки с помощью турбокомпрессора, важна эффективность, с которой воздух поступает в автомобиль — это может иметь большое значение, чтобы сделать ваши усилия более полезными.

Кроме того, в этом случае могут оказаться полезными такие компоненты, как промежуточный охладитель. Имея это и многое другое, ваше стремление к большей скорости может быть удовлетворено вашей поездкой.

Сколько наддува слишком много?

1. Главная
2. Наши блоги
3. Технические статьи
4. Turbo tech: Сколько наддува слишком много?

Фильтрующие изделия

Автор: Джулиус Блум Дата публикации: 11 июня 2018 г.

Наддув — это положительное давление, создаваемое турбонаддувом или нагнетателем. Он нагнетает больше воздуха в двигатель. Это можно сочетать с большим количеством топлива, чтобы создать больший удар внутри цилиндров, что приведет к увеличению мощности.

Еще один часто задаваемый вопрос, который мы получаем —

Сколько разгона я должен запустить?

Очень похоже на вопрос «Как далеко я могу разогнать заводской двигатель?». Это не совсем прямой ответ. Есть много переменных для рассмотрения.

Прежде чем мы начнем, скажите, что такое ускорение и зачем мне его запускать?

Наддув — это положительное давление, создаваемое турбонаддувом или нагнетателем. Он нагнетает больше воздуха в двигатель. Это можно сочетать с большим количеством топлива, чтобы создать больший удар внутри цилиндров, что приведет к увеличению мощности. Увеличение наддува (в разумных пределах) нагнетает в двигатель больше воздуха, поэтому можно добавить больше топлива для увеличения мощности. В целом, если вы добавите больше наддува и настроите двигатель, вы получите больше мощности. Слишком большой наддув может привести к поломке турбонаддува или двигателя.

Начнем с турбо

Ни для кого не секрет, что не все турбины одинаковы. Некоторые из них большие, некоторые маленькие, некоторые предназначены для реагирования, некоторые экономичны, а некоторые — для откровенной мощи. Основными областями, которые мы рассмотрим, являются размер, эффективность, тип и состояние.

• Размер. Как правило, большой размер турбонаддува создает больший поток воздуха при более низком уровне наддува, но с большей задержкой. Верно и обратное: меньший турбонаддув должен работать с более высоким уровнем наддува для достижения заданного воздушного потока, но будет иметь меньшую турбо-задержку.
• Эффективность. Турбина предназначена для работы в пределах диапазона эффективности, связанного с расходом воздуха и давлением наддува. Именно здесь турбонагнетатель будет лучше всего производить объем воздуха, не превышая скорость и не выделяя чрезмерного тепла. Эффективность и размер необходимо рассматривать как часть всего пакета при планировании установки двигателя.

Тип

• . Различные типы турбокомпрессоров предназначены для различных применений с различными характеристиками и ограничивающими факторами. Мы рекомендуем изучить ограничения вашего турбо. Например; ряд ранних японских автомобилей был оснащен керамическими турбинными колесами и валами. Как правило, они хрупкие и способны выдерживать лишь умеренное давление наддува, оставаясь цельными.

Состояние

• . Турбина в хорошем рабочем состоянии имеет решающее значение для создания надежного наддува. Эксплуатация турбонаддува в пределах его рабочего диапазона, поддержание хорошего давления масла, адекватное охлаждение и эффективная настройка продлят срок службы турбокомпрессора. Несмотря на то, что нам нравится внешний вид открытого турбовпуска, фильтр — это тоже отличная идея!

Garrett GTX3582R рядом со стоковым STI turbo[/caption]

А сам двигатель?

Хотя большее давление наддува обычно означает большую мощность, это означает большее давление в цилиндре и большую нагрузку на двигатель. Чтобы турбонаддув работал на определенном уровне наддува, двигатель должен с этим справиться.

• Состояние — как указано в нашей статье о двигателе, состояние двигателя и его вспомогательных компонентов так же важно для работы на уровне мощности, как и сам турбонаддув.
• Прочность. Двигатель должен соответствовать задачам поддержки крутящего момента/мощности на уровне наддува. Мы рекомендуем обсудить это с опытным настройщиком.
• Эффективность. Как и турбодвигатель, двигатель будет эффективен в определенном рабочем диапазоне. Это будет продиктовано доработками внутренних органов или их отсутствием. Если у вас сильно ограниченный двигатель, это ограничит форсирование, которое вы можете запустить, или означает, что увеличение уровня форсирования не окажет положительного влияния на мощность. Это дает вам больше стресса без каких-либо плюсов. Противоположным было бы иметь двигатель, модифицированный для повышения эффективности и потока с небольшим турбонаддувом. Потенциально он будет вырабатывать наибольшую мощность, которую вы можете получить от этого турбонагнетателя, однако двигатель будет вытеснять турбонагнетатель. В идеале двигатель и турбонаддув должны соответствовать требованиям автомобиля.

И основные вспомогательные компоненты турбо/турбо?

Существуют и другие компоненты, которые следует учитывать при увеличении наддува. Если требуется значительное увеличение наддува или мощности, потребуется множество модификаций.

• Топливная система. Топливная система должна поддерживать уровень мощности, который будет производиться при увеличении наддува. Это может включать топливный насос и топливные форсунки, а также регулятор давления топлива и топливопроводы, необходимые для перехода на следующий уровень.

Датчик абсолютного давления

• . Блок управления двигателем (заводской или послепродажный), скорее всего, должен быть оснащен датчиком абсолютного давления в коллекторе (MAP), который будет показывать как минимум несколько фунтов на квадратный дюйм выше, чем вы предполагаете при работе. Датчик должен показывать показания выше желаемого уровня наддува, чтобы ЭБУ можно было запрограммировать на ограничение наддува для предотвращения чрезмерного наддува или любых опасных пиков наддува.
• Интеркулер и трубопроводы. При увеличении наддува наддувочный (сжатый) воздух, выходящий из турбонагнетателя, увеличивается в объеме и температуре. Это означает, что промежуточный охладитель должен рассеивать это дополнительное тепло, иначе он может ограничить уровень мощности. Трубопровод также должен быть хорошо герметизирован, чтобы весь сжатый воздух, выходящий из турбины, действительно попадал в двигатель. Негерметичность патрубков интеркулера встречается очень и очень часто.
• Выхлоп — В большинстве случаев заводские выхлопы являются существенным ограничением в системе турбонаддува. Современные автомобили также оснащены каталитическим нейтрализатором, который действует как фильтр в потоке выхлопных газов, еще больше ограничивая поток. Установка выхлопа с высоким расходом (с катализатором с высоким расходом, если применимо) естественным образом немного увеличит уровень наддува и позволит при желании увеличить наддув еще больше.
• Вестгейт — это часть турбосистемы, которая пневматически регулирует уровень наддува. Установка вестгейта обычно состоит из привода, клапана, пружины и соленоида. Все они должны быть настроены в соответствии с желаемым уровнем усиления. Это зависит от настройки, поэтому свяжитесь с вашим тюнером, чтобы обсудить это.

Как PBMS настраивается на уровень повышения?

Сначала мы проведем исследование. Мы должны знать точные характеристики турбо и убедиться, что мы знаем, есть ли какие-либо ограничивающие (или несоответствующие) уровни наддува для турбо. После настройки на диностенде мы следуем простой процедуре:

1. Базовый запуск при давлении перепускной заслонки с проверкой уровня наддува.
2. Увеличьте уровень наддува на 2–3 фунта на кв. дюйм, снова проверив уровень наддува и обеспечив требуемый контроль.
3. Продолжайте увеличивать уровень наддува небольшими шагами и следите за уровнем наддува и увеличением мощности. Как только уровень усиления достигает желаемого уровня, мы останавливаемся, однако, если мы не знаем желаемого уровня, мы переходим к следующему шагу.
4. Внимательно следите за уровнем мощности по сравнению с повышением. Как правило, мы видим усиление, обеспечивающее уменьшение увеличения мощности, до тех пор, пока точечный дополнительный импульс не дает или дает очень мало дополнительной мощности. Это указывает на то, что мы, вероятно, находимся за пределами эффективности двигателя и турбоустановки. Отсюда мы можем принять обоснованное решение о том, какой уровень усиления использовать.

Несколько реальных рекомендаций!

Большинство случаев немного отличаются, однако мы можем дать некоторые общие рекомендации, основанные на опыте. Следующие уровни наддува являются максимальными, на которые мы обычно настраиваем для хорошей мощности, сохраняя при этом разумную надежность. Обратите внимание, что двигатель должен быть настроен для безопасной и оптимальной работы повышенного уровня наддува.

• Стандартный турбонаддув STI (версия 3+) — 21–23 фунта на кв. дюйм (1,5 бар)
• Стандартный турбонаддув Evo (Evo V+) — 23–25 фунтов на кв. дюйм (1,725 ​​бар)
• R32 и R33 GTS-T (стандартный керамический турбонаддув) — 12 фунтов на кв. дюйм (0,83 бар)
• R32 и R33 GTR (стандартный керамический турбонаддув) — 14 фунтов на кв. дюйм (0,95 бар)
• Стандартный турбонаддув WRX (TD04 до ’07) — 15 фунтов на кв. дюйм (1 бар)
• WRX/SG-T(’08-’14)/Legacy (’04-’09) сток турбо — 18-20 psi (1,35 бар)
• Стандартный турбонаддув WRX/Levorg (14-текущий) — 18–20 фунтов на кв. дюйм (1,35 бар)
• Mazda MPS/Mazda Speed ​​с турбонаддувом — 18–20 фунтов на кв. дюйм (1,35 бар)

Garrett TA3410, установленный на стандартный блок RB25DET мощностью 330 кВт на колесах[/caption] Встроенные двигатели и модернизированные турбины открывают огромное количество других рекомендуемых уровней наддува. Мы будем рады обсудить это с вами при планировании сборки или подготовке вашего автомобиля к пакету настроек PBMS. Пожалуйста, свяжитесь с нами, чтобы обсудить сегодня.

Оставить комментарий

Купить сейчас.