Системы наддува двигателя

С момента появления двигателя внутреннего сгорания перед конструкторами появилась задача повышения его мощности. А это возможно только одним путем – увеличением количества сгораемого топлива.

Способы повышения мощности двигателя

Для решения этой проблемы использовалось два метода, один из которых – повышение объема камер сгорания. Но в условиях постоянно ужесточающийся экологических требований к силовым агрегатам автомобилей этот метод повышения мощности сейчас практически не используется, хотя раннее он был приоритетным.

Второй метод повышения мощности сводится к принудительному увеличению количества горючей смеси. В результате этого даже на малообъемных силовых установках удается существенно повысить эксплуатационные показатели.

Если с увеличением количества подаваемого в цилиндры топлива проблем не возникает (система его подачи легко регулируется под требуемые условия), то с воздухом не все так просто. Силовая установка самостоятельно его закачивает за счет разрежения в цилиндрах и повлиять на объем закачки невозможно. А поскольку для максимально эффективного сгорания в цилиндрах должна создаваться топливовоздушная смесь с определенным соотношением, то увеличение только одного количества топлива никакого прироста мощности не дает, а наоборот – повышается расход, а мощность падает.

Выходом из ситуации является принудительная накачка воздуха в цилиндры, так называемый наддув двигателя. Отметим, что первые устройства, нагнетающие воздух в камеры сгорания, появились практически с момента появления самого двигателя внутреннего сгорания, но долгое время их на автотранспорте не использовали. Зато наддувы достаточно широко использовались в авиации и на кораблях.

Виды по способу создания давления

Наддув двигателя – задумка теоретически простая. Суть ее сводится к тому, что принудительная закачка позволяет существенно увеличить количество воздуха в цилиндрах по сравнению с объемом, который засасывает сам мотор, соответственно, и топлива подать можно больше. В результате удается повысить мощность силовой установки без изменения объема камер сгорания

Но это в теории все просто, на практике же возникает множество трудностей. Основная проблема сводится к определению, какая конструкция наддува является самой эффективной и надежной.

В целом разработано три типа нагнетателей, различающихся по способу нагнетания воздуха:

1. Roots
2. Lysholm (механический нагнетатель)
3. Центробежный (турбина)

Каждый из них имеет свои конструктивные особенности, достоинства и недостатки.

Roots

Нагнетатель типа Roots изначально был представлен в виде обычного шестеренчатого насоса (что-то схожее с масляным насосом), но со временем конструкция этого наддува сильно изменилась. В современном нагнетателе Roots шестеренки заменены на два ротора, вращающихся разнонаправлено, и установленных в корпусе. Вместо зубьев на роторах сделаны лопастные кулачки, которыми происходит зацепление роторов между собой.

Главной особенностью наддува Roots является способ нагнетания. Давление воздуха создается не в корпусе, а на выходе из него. По сути, лопасти роторов просто захватывают воздух и выталкивают его в выходной канал, ведущий к впускному коллектору.

Устройство и работа нагнетателя Roots

Но у такого нагнетателя есть несколько существенных недостатков – создаваемое им давление ограничено, при этом еще присутствует пульсация воздуха. Но если второй недостаток конструкторы смогли преодолеть (путем придания роторам и выходным каналам особой формы), то проблема ограничения создаваемого давления более серьезна – либо приходится увеличивать скорость вращения роторов, что негативно сказывается на ресурсе нагнетателя, либо создавать несколько ступеней нагнетания, из-за чего устройство становится очень сложным по конструкции.

Lysholm

Наддув двигателя типа Lysholm конструктивно схож с Roots, но у него вместо роторов используются спиралевидные шнеки (как в мясорубке). В такой конструкции создание давления происходит уже в самом нагнетателе, а не на выходе. Суть проста – воздух захватывается шнеками, сжимается в процессе транспортировки шнеками от входного канала на выходной и затем выталкивается. За счет спиралевидной формы процесс подачи воздуха идет непрерывно, поэтому никакой пульсации нет. Такой нагнетатель обеспечивает создание большего давления, чем конструкция Roots, работает бесшумно и на всех режимах мотора.

Нагнетатель типа Lysholm, другое название — винтовой.

Основным недостатком этого наддува является высокая стоимость изготовления.

Центробежный тип

Центробежные нагнетатели – самый сейчас распространенный тип устройства. Он конструктивно проще, чем первые два типа, поскольку рабочий элемент у него один – компрессионное колесо (обычная крыльчатка). Установленная в корпусе эта крыльчатка захватывает воздух входного канала и выталкивает его в выходной.

Центробежный нагнетатель с газотурбинным приводом

Особенность работы этого нагнетателя сводится к тому, что для создания требуемого давления необходимо, чтобы турбинное колесо вращалось с очень большой скоростью. А это в свою очередь сказывается на ресурсе.

Типы привода, их достоинства и недостатки

Вторая проблема – привод нагнетателя, а он может быть:

1. Механическим
2. Газотурбинным
3. Электрическим

В механическом приводе в действие нагнетатель приводится от коленчатого вала посредством ременной, реже – цепной, передачи. Такой тип привода хорош тем, что наддув начинает работать сразу после запуска силовой установки.

Но у него есть существенный недостаток – этот тип привода «забирает» часть мощности мотора. В результате получается замкнутый круг – нагнетатель повышает мощность, но сразу же ее и отбирает. Использоваться механический привод может со всеми типами наддувов.

Газотурбинный привод сейчас пока является самым оптимальным. В нем нагнетатель приводится в действие за счет энергии сгоревших газов. Этот тип привода используется только с центробежным наддувом. Нагнетатель с таким типом привода получил название турбонаддува.

Чтобы использовать энергию отработанных газов конструкторы, по сути, просто взяли два центробежных нагнетателя и соединили их крыльчатки одной осью. Далее один нагнетатель подсоединили к выпускному коллектору. Выхлопные газы, на выходе из цилиндров двигаются с высокой скоростью, попадают в нагнетатель и раскручивают крыльчатку (она получила название турбинное колесо). А поскольку она соединена с крыльчаткой (компрессорным колесом) второго нагнетателя, то он начинает выполнять требуемую задачу – нагнетать воздух.

Турбонаддув хорош тем, что не оказывает влияние на мощность двигателя. Но у него есть недостаток, причем существенный – на малых оборотах двигателя он из-за небольшого количества выхлопных газов не способен эффективно нагнетать воздух, он эффективен только на высоких оборотах. К тому же в турбонаддуве присутствует такой эффект как «турбояма».

Суть этого эффекта сводится к тому, что турбонаддув не обеспечивает мгновенную реакцию на действия водителя. При резком изменении режима работы двигателя, к примеру, при разгоне, на первом этапе энергии выхлопных газов недостаточно, чтобы наддув закачал требуемое количество воздуха, нужно время, чтобы в цилиндрах прошли процессы и повысилось количество отработанных газов. В результате при резком нажатии на педаль, машина «тупит» и не разгоняется, но как только наддув наберет обороты, авто начинает активно ускоряться – «выстреливает».

Есть и еще один не очень приятный эффект – «турболаг». У него суть примерно та же, что и у «турбоямы», но природа у него несколько другая. Сводится она к тому, что наддув обладает запоздалой реакцией на действия водителя. Обусловлена она тем, что нагнетателю требуется время захватить, закачать воздух и подать его в цилиндры.

Показательные графики эффектов «турбояма» и «турболаг» в зависимости от мощности

«Турбояма» появляется только в нагнетателях, работающих от энергии выхлопных газов, в устройствах же с механических приводом ее нет, поскольку производительность наддува пропорциональна оборотам двигателя. А вот «турболаг» присутствует во всех типах нагнетателей.

В современных автомобилях начинают внедрять электрические приводы наддува, но они только зарождаются. Пока их используют, как дополнительный механизм, для исключения «турбоямы» в работе турбонаддува. Не исключено что вскоре и появится разработка которая заменит привычные нам нагнетатели.

Электронагнетатель от фирмы Valeo

Для их эффективной работы необходимо более высокое напряжение, поэтому используется вторая сеть со своим аккумулятором на 48 вольт. Концерн Audi вообще планирует перевести все оборудование на повышенное напряжение – 48 вольт, так как увеличивается количество электронных систем и соответственно нагрузка на сеть автомобиля. Возможно в будущем все автопроизводители перейдут на повышенное напряжение бортовой сети.

Иные проблемы

Помимо способа нагнетания и типа привода существует еще немало вопросов, которые успешно решились или решаются конструкторами.

К ним относится:

• нагрев воздуха при сжатии;
• «турбояма»;
• эффективная работа нагнетателя на всех режимах.

Во время нагнетания воздух сильно нагревается, что приводит к снижению его плотности, а это в свою очередь сказывается на детонационном пороге топливовоздушной смеси. Устранить эту проблему удалось путем установки интеркулера – радиатора охлаждения воздуха. Причем осуществлять охлаждение этот узел может разными способами – потоком встречного воздуха или за счет жидкостной системы охлаждения.

Варианты исполнения систем наддува

Но установка интеркулера породила другую проблему – увеличение «турболага». Из-за радиатора общая длина воздуховода от нагнетателя к впускному коллектору существенно увеличилась, а это повлияло на время нагнетания.

Проблема с «турбоямой» автопроизводителями решается по-разному. Одни снижают массу составных элементов, другие используют технологию изменяемой геометрии турбопривода. При первом варианте решения проблемы, снижение массы крыльчаток приводит к тому, что для раскручивания наддува требуется меньше энергии. Это позволяет нагнетателю раньше вступить в работу и обеспечить давление воздуха даже при незначительных оборотах двигателя.

Что касается геометрии, то за счет использования специальных крыльчаток с приводом от актуатора, установленных в корпусе турбинного колеса удается осуществлять перенаправление потока отработанных газов в зависимости от режима работы мотора.

Повышение эффективности работы нагнетателя на всех режимах работы некоторые производители решают путем установки двух, а то и трех нагнетателей. И здесь уже каждая автокомпания поступает по-разному. Одни устанавливают два турбонаддува, но разных размеров. «Малый» нагнетатель отрабатывает на небольших оборотах мотора, снижая эффект «турбоямы», а при увеличении оборотов в работу включается «большой» наддув. Другие же автопроизводители применяют комбинированную схему, в которой за малые обороты «отвечает» нагнетатель с механическим приводом, что вовсе устраняет «турбояму», а на высоких оборотах задействуется уже турбонаддув.

Напоследок отметим, что выше указаны только одни из основных проблем, связанных с принудительной подачей воздуха в цилиндры, в действительности их больше. К ним можно отнести передув и помпаж.

Увеличение мощности нагнетателем, по сути, ограничено только одним фактором — прочнотью составных элементов силовой установки. То есть, мощностные характеристики можно увеличивать только до определенного уровня, превышение которого приведет к разрушению узлов мотора. Это превышение и называется передувом. Чтобы он не произошел, система принудительного нагнетания воздуха оснащается клапанами и каналами, которые предотвращают раскручивание крыльчатки выше установленных оборотов, получается, что производительность наддува имеет граничную отметку. Дополнительно при достижении определенных условий ЭБУ системы питания корректирует количество подаваемого в цилиндры топлива.

Помпаж можно охарактеризовать как «обратное движение воздуха». Возникает эффект при резком переходе с высоких оборотов на низкие. В итоге, нагненататель уже накачал воздух в большом количестве, но из-за снижения оборотов он становиться невостребованным, поэтому он начинает возвращаться к наддуву, что может стать причиной его поломки.

Проблема помпажа решена использованием обходных каналов (байпас), по которым сжатый не расходованный воздух перекачивается на входной канал перед нагнетателем, тем самым он смягчает, но не устраняет, нагрузки при помпаже. Второй системой которая полностью решает проблему помпажа, является установка перепускного клапана или blow-off, который при необходимости сбрасывает воздух в атмосферу.

Установка нагнетателей воздуха на силовые установки пока является самым оптимальным способом повышения мощности.

Виды наддува двигателя

Задача повышения мощностных характеристик силового агрегата была актуальна всегда. Методов улучшения мощности мотора есть довольно много, к примеру, возможно увеличить габаритные размеры цилиндров, численность и количество оборотов мотора. Однако все вышеприведенные методы приводят к существенному увеличению габаритных размеров и веса силового агрегата, а также повышению нагрузки на его конструктивные элементы.

Содержание:

Существует гораздо эффективнее метод улучшения мощностных характеристик мотора. Сама идея довольно проста: чем больше удастся «затолкать» воздуха в цилиндр силового агрегата, тем больше возможно сжечь горючего и как следствие получить повышение мощности мотора. Данный метод именуется – наддув двигателя. Главным его преимуществом выступает тот факт, что габаритные размеры и вес мотора остается прежними, но его мощностные характеристики будут более высокими.

В обычном силовом агрегате горючая смесь подается в цилиндры, при давлении, которое значительно меньше атмосферного. При этом нужно учитывать наличие «препятствий» для прохождения горючей смеси в виде дроссельной заслонки, воздушного фильтрующего элемента, поворотов и шероховатой поверхности стенок каналов. Выполняя наддув двигателя давление, под которым подается горючее значительно повышается, что позволяет получить высокую мощность мотора.

Применение механической схемы

Механические нагнетатели воздуха с целью увеличения мощности силового агрегата использовались на транспортных средствах еще в 30-х годах. Тогда такие устройства именовались компрессорами. В настоящее время их преимущественно называют турбокомпрессорами, о которых, собственно пойдет речь дальше. Стоит отметить что механических конструкций такого плана достаточно много, но несмотря на это разработка новых модификаций актуальна и сейчас.

На выше представленном рисунке показаны нагнетатели воздуха со стандартной конструкцией механического типа. Такие турбокомпрессоры отличаются простой конструкционной схемой и не сложны в эксплуатации.

Однако существуют и не совсем обычные нагнетатели воздуха, разработанные различными компаниями. Одним из них является – волновой нагнетатель воздуха «Comprex» разработанный компанией Asea-Brown-Boweri. Ротор данного турбокомпрессора обладает аксиально размещенными ячейками. При вращательных движениях ротора в камеры попадает воздух, после этого она подходит к отверстию в корпусе и через него в ячейку попадают горячие отработанные газы из силового агрегата. Взаимодействуя с холодным воздухом образовывается волна давления, которая движется с высокой скоростью, за счет чего воздух вытесняется в отверстие выпускного трубопровода, к которому камера за этот промежуток времени успевает подойти. Так как ротор все время крутится отработанные газы в данное отверстие не попадают, а выходят по ходу движения ротора в следующее. Такие нагнетатели применялись многими производителями автомобильных транспортных средств, к примеру, Mazda их применяет на некоторых моделях машин с 1987 года.

Еще одной интересной разработкой выступает спиральный нагнетатель – G40. Впервые она были использована немецким производителем автомобилей Volkswagen в 1985 году.

В 1988 году появилась новая модификация спирального нагнетателя воздуха G-60, которая обладала более высокой мощностью и применялась на автомобилях Corrado и Passat.

Конструкционно такие нагнетатели состоят из двух спиралей, первая из которых стационарна и выступает в качестве части корпуса. Вторая спираль играет роль вытеснителя и размещена между двумя витками первой. Данная спираль крепится на валу. Вал в действие приводится за счет ременной передачи силового агрегата с отношением одного к двум.

Принцип работы такой конструкции довольно прост и заключается в следующем: во время вращения вала спираль находящиеся внутри корпуса осуществляет колебательные движения и между ними образовываются серповидные полости, движущееся к центру и тем самым перемещают воздух с периферии в мотор под низким давлением. При этом количество подаваемого сжатого воздуха напрямую зависит от частоты вращения вала мотора.

Такая схема нагнетателя имеет два важных преимущества: достаточно высокий КПД и износоустойчивость (за счет отсутствия трущихся конструкционных элементов).

Применение турбокомпрессоров

В настоящее время с целью улучшения мощностных характеристик силового агрегата используют не механические нагнетатели воздуха, а турбокомпрессоры. Такие устройства гораздо проще в производстве, что окупает ряд недостатков, которые им присущи.

Современные турбокомпрессоры от выше приведенных схем прежде всего отличаются по своим конструкционным особенностям и принципу работы привода. В данном случае применяется ротор с лопатками, то есть турбина, вращаемая за счет воздействия потока отработанных газов силового агрегата. Турбина вращает вмонтированный на том же валу компрессор, представленный в виде колеса, оснащенного лопатками.

Такой принцип действия привода, определяет главные недостатки газового компрессора. Следует отметить, что в данном случае частота вращения мотора довольно низкая, а значит и количество отработанных газов тоже небольшое, что негативно влияет на производительность работы турбокомпрессора.

Помимо двигатель с установленным турбокомпрессором, чаще всего имеет так называемую турбояму, то есть замедленный отклик мотора на увеличение количества подаваемого горячего. Водителю при этом нужно резко нажать педаль газа до упора, а силовой агрегат реагирует лишь спустя определенное время. Объяснение у такого явления довольно простое – необходимо определенное количество времени на раскрутку турбины, которая отвечает за вращение компрессора.

Максимально нивелировать выше наведенные недостатки турбокомпрессоров разработчики пытались различными методами. И в первую очередь была уменьшена масса конструктивных вращающихся элементов компрессора и самой турбины. Ротор компрессора, применяемого в настоящее время стал настолько малогабаритным, что вмещается на ладони. К тому же легкий по массе ротор значительно повышает эффективность работы компрессора даже при низких оборотах силового агрегата.

Однако уменьшение размеров конструктивных деталей, не единственный метод улучшения эффективности работы газового компрессора. Сегодня для их изготовления применяются новые материалы, которые помогают снизить массу элементов ротора, что позволяет улучшить его работу. К примеру, довольно часто для этих целей используют спичечный карбид кремния, который обладает устойчивостью к воздействию высоких температур и при этом имеет легкий вес.

То есть с уверенностью можно сказать, что современные турбокомпрессоры лишены многих недостатков предыдущих моделей подобных устройств. Благодаря чему такие установки с успехом используются на автомобильных транспортных средствах от разных производителей. Выбор турбо нагнетателей воздуха должен осуществляться исходя из изначальной мощности машины, а также финансовых возможностей владельца автомобиля. Установка таких агрегатов строго должна вестись на СТО либо автомастерских.

Что лучше выбрать механический нагнетатель воздуха или турбокомпрессор

Увеличение скоростных показателей своего автомобиля – весьма актуальный вопрос для многих владельцев транспортных средств. Сегодня данную задачу можно решить многими способами, но наибольшим спросом пользуется установка механического нагнетателя воздуха или турбо компрессора. Так какой из этих двух вариантов лучший? На данный вопрос попробуем ответит в данной статье.

Для этой цели изначально нужно разобраться с принципом работы механического и газового компрессора.

Принцип и особенности работы механической схемы

Таких устройств существует несколько видов:

1. Объемный нагнетатели воздуха. Такие установки подают воздух в силовой агрегат одинаковыми порциями в независимости от скоростного режима, что является преимуществом при езде на низких оборотах мотора;
2. Механические схемы внешнего сжатия воздуха. Такие компрессоры прекрасно подходят там, где есть необходимость в большом количестве подаваемого воздуха на невысоких оборотах мотора. Недостатком такого подхода является наличие возможности создания обратного оттока воздуха, так как компрессор сам по себе не обеспечивает нужного давления. К тому же такие установки имеют низкий КПД;
3. Установки внутреннего сжатия. Их применение актуально на высоких оборотах силового агрегата, к тому же эффект обратного оттока воздуха гораздо меньший. Недостатками таких схем выступают: достаточно высокая стоимость (по причине высоких требований относительно материала исполнения) и возможность заклинивания, особенно в случае перегрева;
4. Динамические нагнетатели воздуха. Такие установки работают лишь по достижению определенного количества оборотов, но при этом их КПД гораздо выше в сравнении с выше наведенными установками.

Поскольку механические нагнетатели воздуха функционируют за счет коленчатого вала мотора посредством дополнительного привода, обороты компрессора напрямую зависят от оборотов силового агрегата.

Особенности работы турбокомпрессора

Такие нагнетатели воздуха функционируют за счет энергии, полученной от выбросов отработанных газов. По своей сути турбокомпрессор – сочетание центробежного компрессора и самой турбины (колеса, оснащенного лопатками).

Принцип его действия заключается в следующем: отработанные газы с большой скоростью вращают турбину, которая вмонтирована на валу. На другом конце вала вмонтирован центробежный насос, основная задача которого заключается в нагнетании большого количества воздуха в цилиндры.

В современных компрессорах с целью охлаждения воздуха, который подается в турбину, применяют интеркулер.

Недостатки и преимущества механического и газового компрессора

Турбокомпрессор прекрасно подходит для применения с целью обогащения кислородом топлива. Однако и такие схемы обладают своими недостатками:

1. турбина представлена в виде стационарного устройства и соответственно есть необходимость в привязке к силовому агрегату транспортного средства;
2. на невысоких оборотах мотора, такой компрессор не способен обеспечит большую скорость, а лишь на высоких его работа эффективна;
3. при переходе с низких на высокие обороты часто образуется так называемая «турбояма», при этом чем выше мощность турбокомпрессора, тем значительней будет данный эффект.

Стоит отметить, что в настоящее время можно купить турбокомпрессор, который будет отлично справляться со своей основной задачей как на низких, так и на высоких оборотах силового агрегата. Однако их цена достаточно высокая, как на само оборудование, так и на обслуживание. Но несмотря на это многие владельцы отдают предпочтение именно турбокомпрессорам.

Механические нагнетатели воздуха в свою очередь проще в монтаже и обслуживании. Работают такие устройства как на низких, так и на высоких оборотах. Кроме этого они требуют слишком больших временных и финансовых затрат при восстановлении и ремонте. Это объясняется тем, что в отличие от турбокомпрессора, механический нагнетатель является независимым устройством.

Турбина помимо своей дороговизны и сложности в установке, также довольно требовательна к качеству и техническим характеристикам используемой топливной смеси.

У механических нагнетателей воздуха есть существенная проблема – достаточно большой расход горючего, при относительно невысоком коэффициенте полезного действия. Но при этом они проще в конструкционном плане и в обслуживании.

При этом выбор той или иной установки зависит только от водителя и его пожеланий, а также изначальных характеристик машины.

Видео

Основной автор сайта и основатель нескольких автомобильных интернет-проектов