Способы увеличения мощности двигателя

Содержание

 

 

   Введение…………………………………………………………………………..….2

  1.Механизмы нагнетания воздуха в цилиндры двигателя………………………..3

1.1. История изобретения………………………………………………………….3

     1.2. Система турбонаддува………………….………………………………….…8

     1.3. Система Twin Turbo…………………….…………………………………....12

1.4 Механический нагнетатель…………………………………………………..16

   2. Наддув двигателя TSI……………………………………………………………21

   Заключение……………………………………………………………………….…28

   Библиографический  список………………………………………………………….29

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Введение

Одной из основных характеристик  двигателя, важных для потребителя, является его мощность. Ведь именно от нее зависит грузоподъемность автомобиля и, следовательно, его назначение. Но кроме практических задач, мощные машины – это еще и удовольствие, к которому неравнодушны почти все  водители.

Известно, что мощность зависит  от количества сжигаемого топлива за определенный интервал  времени. А  значит, создать мощный мотор, на первый взгляд, задача не сложная – чем  больше горючего, тем сильнее двигатель. Мы знаем, что для горения топлива необходим воздух, точнее кислород, являющийся одним из его компонентов.  И соотношение топлива с воздухом должно находиться в строго определенной стехиометрической пропорции (примерно 1 к 15-ти). Так что если увеличение подачи топлива в цилиндры задача простая: достаточно лишь повысить производительность насоса, то с воздухом все гораздо сложнее. На обычном двигателе, который принято называть атмосферным, воздух засасывается при движении поршня вниз. Выходит, что его количество ограничено объемом цилиндра. То есть, для того чтобы сжечь больше топливовоздушной смеси, необходимо увеличивать его объем. Однако с увеличением рабочего объема двигателя, увеличиваются его размеры и масса. В начале прошлого века мощные автомобили можно было определить по огромному моторному отсеку, в котором стояли 8-12-цилиндровые моторы.

 Известно, что воздух, как и все остальные газы, под действием давления имеет свойство сжиматься, а, стало быть, в таком состоянии количество кислорода, необходимого для горения топлива, в цилиндры двигателя можно подать больше. В результате топливовоздушная смесь, при одном и том же объеме, может иметь больший энергетический заряд.  Именно для этого стали использовать различные нагнетатели воздуха в цилиндры двигателя.

1.Механизмы нагнетания  воздуха в цилиндры двигателя

1.1. История изобретения

Принцип турбонаддува был запатентован Альфредом Бюхи в 1911 году в патентном ведомстве США. Номер патента (1006907 October 1911 Buchi).

История развития турбокомпрессоров  началась примерно в то же время, что  и постройка первых образцов двигателей внутреннего сгорания. В 1885—1896 г. Готлиб Даймлер и Рудольф Дизель проводили исследования в области повышения вырабатываемой мощности и снижения потребления топлива путем сжатия воздуха, нагнетаемого в камеру сгорания. В 1905 г. швейцарский инженер Альфред Бюхи впервые успешно осуществил нагнетание при помощи выхлопных газов, получив при этом увеличение мощности на 120 %. Это событие положило начало постепенному развитию и внедрению в жизнь турботехнологий.

Сфера использования первых турбокомпрессоров ограничивалась чрезвычайно крупными двигателями, в частности, корабельными. В авиации  с некоторым успехом турбокомпрессоры использовались на истребителях с двигателями  Рено ещё во время Первой Мировой войны. Ко второй половине 1930-х развитие технологий позволило создавать действительно удачные авиационные турбонагнетатели, которые у значительно форсированных двигателей использовались в основном для повышения высотности. Наибольших успехов в этом достигли американцы, установив турбонагнетатели на истребители P-38 и бомбардировщики B-17 в 1938 году. В 1941 году США был создан истребитель P-47 с турбонагнетателем, обеспечившим ему выдающиеся летные характеристики на больших высотах.

В автомобильной сфере  первыми начали использовать турбокомпрессоры производители грузовых машин. В 1938 г.на заводе «Swiss Machine Works Sauer» был построен первый турбодвигатель для грузового автомобиля. Первыми легковыми автомобилями, оснащенными турбинами были Chevrolet Corvair Monza и Oldsmobile Jetfire, вышедшие на американский рынок в 1962—1963 г. Несмотря на очевидные технические преимущества, низкий уровень надежности привел к быстрому исчезновению этих моделей.

Начало использования  турбодвигателей на спортивных автомобилях, в частности на Formula 1, в 70-х годах привело к значительному увеличению популярности турбокомпрессоров. Приставка «турбо» стала входить в моду. В то время, почти все производители автомобилей предлагали как минимум одну модель с бензиновым турбодвигателем. Однако, по прошествии нескольких лет, мода на турбодвигатели начала проходить, так как выяснилось, что турбокомпрессор, хотя и позволяет увеличить мощность бензинового двигателя, сильно увеличивает расход топлива. На первых порах задержка в реакции турбокомпрессора была достаточно большой, что также являлось серьёзным аргументом против установки турбины на бензиновый двигатель.

Коренной перелом в  развитии турбокомпрессоров произошёл  с установкой в 1977 г. турбокомпрессора на серийный автомобиль Saab 99 Turbo и затем, в 1978 г. выпуском Mercedes-Benz 300 SD, первого легкового автомобиля, оснащенного дизельным турбодвигателем. В 1981 г. за Mercedes-Benz 300 SD последовал VW Turbodiesel. При помощи турбокомпрессора производителям удалось увеличить эффективность работы дизельного двигателя до уровня бензинового, сохранив при этом значительно более низкий уровень выброса в атмосферу выхлопных газов. Вообще, дизельные двигатели имеют повышенную степень сжатия и, вследствие адиабатного расширения на рабочем ходе, их выхлопные газы имеют более низкую температуру. Это снижает требования к жаропрочности турбины, и позволяет делать более дешёвые или более изощрённые конструкции. Именно поэтому турбины на дизельных двигателях встречаются гораздо чаще, чем на бензиновых, а большая часть новинок (например, турбины с изменяемой геометрией) сначала появляется именно на дизельных двигателях.

Такая идея увеличения мощности, без изменения рабочего объема двигателя, пришла в голову Готтлибу Даймлеру еще в 1885 году. Его устройство представляло собой вентилятор, приводящийся в движение от вала двигателя. Однако тогда конструкция имела множество недостатков, чтобы претендовать на использование.

В 1905 Альфред Бюхи запатентовал еще одну идею. В его разработке турбина, нагнетающая воздух, приводилась в движение за счет энергии выхлопных газов.

 Впервые начали использовать  нагнетатели воздуха в военной  авиации. Их стали устанавливать  на авиационные двигатели, чтобы  компенсировать худшее наполнение  цилиндров воздухом при высотных  полетах. Затем в 20-х года  годах их можно было встретить  на спортивных автомобилях, а  десять лет спустя  и на гражданской  технике.

Первыми нагнетателями на автомобилях стали механизмы, работа которых была основана на принципе роторно-шестеренчатого нагнетателя  братьев Roots, изобретенного еще в 1859 году (первоначальными задачами этого устройства являлась вентиляция шахт). Нагнетатель представляет собой корпус, в котором вращаются в противоположные стороны две прямозубые шестерни. В объеме, который создается полостью между зубьями шестерни и корпусом, воздух не сжимается, а перемещается от впускного к выпускному коллектору. Сжимается он после: в нагнетательном трубопроводе. Такие нагнетатели еще называют компрессорами с внешним сжатием.

Недостатком такой конструкции  является то, что с ростом давления в нагнетательном трубопроводе воздух начинает просачиваться обратно. Частично предотвратить это можно применением  многоступенчатых нагнетателей.

 Эти механизмы можно  встретить и сегодня в автомобильной  промышленности. Они носят имя  своих изобретателей – нагнетатели  типа Roots. В 1936 году Альф Лисхольм представил схожую конструкцию с нагнетателем типа Roots. Разница заключалась в том, что воздух двигался вдоль осей роторов.  И главным достоинством перед предыдущей разработкой стало то, что воздух, за счет изменения объема полостей между вращающимися роторами и корпусом, кроме перемещения, еще и стал сжиматься внутри (степень повышения давления может достигать семи).

Главным недостатком, из-за которого компрессоры Lysholm не нашли массового применения, была сложная форма роторов, производство которых требует высокой точности, что, естественно, отражается на их стоимости и надежности. Кроме того, такие компрессоры обладают высокой шумностью. Положительная черта механических нагнетателей типа Roots и Lysholm заключается в том, что они создают незамедлительное повышение давления, обеспечивая ровную работу мотора. Очень часто такие механические компрессоры используются тюнинговыми ателье, так как при установке требуют незначительных изменений в существующей конструкции¹.

Центробежный компрессор стал следующим этапом в развитии наддува. Из-за своего внешнего вида его  прозвали улиткой. В корпусе такого устройства вращается крыльчатка. Воздух всасывается по центру и отбрасывается  по периферии. Благодаря действию центробежных сил происходит его сжатие. В отличие  от предыдущих компрессоров, его обороты  значительно выше оборотов двигателя  (до 100 000 об/мин), поэтому для их увеличения используется дополнительный мультипликатор.

Производительность такого мотора нелинейная, так как количество воздуха растет с увеличением  скорости вращения мотора. А это  значит – ожидаемый прирост мощности заметен исключительно на высоких  оборотах двигателя.

 Минусом механических  нагнетателей, приводящихся в движение  с помощью  соединения их  с коленчатым валом двигателя  при помощи ременной передачи, является отбор мощности (около  20%) у двигателя.

Турбокомпрессор – это  наиболее часто встречаемая на автомобилях  конструкция, увеличивающая количество подаваемого в цилиндры воздуха. Конструктивно он почти идентичен  центробежному компрессору. Основное отличие заключается в типе привода. Вращается его крыльчатка за счет энергии выхлопных газов. Подобная схема позволяет меньше отбирать мощность у двигателя: всего 1,5 %. Однако и он обладает своими минусами, главным  из которых является инерционность. После увеличения оборотов необходимо время, чтобы раскрутить турбокомпрессор, обладающий определенной массой. Такая  запоздалая реакция на педаль акселератора среди автолюбителей называется турбояма. Связано это явление с тем, что турбина не успевает так быстро раскручиваться вместе с двигателем, а крыльчатка турбины в тоже время создает сопротивление выхлопным газам. Частично бороться с этим явлением научились установкой двух турбин. Часто моторы с такой конструкцией имеют приставку biturbo. Одна из турбин  предназначается для работы на небольших оборотах двигателя, другая на "верхах". Преимущества такой схемы заключаются в том, что каждый ротор получается меньше, а значит легче и менее инерционный.

Одним из последствий работы компрессоров является то, что при  сжатии воздух нагревается и расширяется  в объеме, что влечет уменьшение его плотности и, соответственно, содержания кислорода. Поэтому воздух перед турбиной стали дополнительно  охлаждать. Устройства, при помощи которых  понижается температура воздуха, называются интеркулерами (промежуточный радиатор для воздуха). Перед тем как попасть в цилиндры, воздух проходит через них и дополнительно охлаждается.

 

 

 

 

 

 

1.2. Система турбонаддува

Турбонаддув - вид наддува, при котором воздух в цилиндры двигателя подается под давлением за счет использования энергии отработавших газов.

В настоящее время турбонаддув является наиболее эффективной системой повышения мощности двигателя без увеличения частоты вращения коленчатого вала и объема цилиндров. Помимо повышения мощности турбонаддув обеспечивает экономию топлива в расчете на единицу мощности и снижение токсичности отработавших газов за счет более полного сгорания топлива.

Система турбонаддува применяется как на бензиновых, так и на дизельных двигателях. Вместе с тем, наиболее эффективен турбонаддув на дизелях вследствие высокой степени сжатия двигателя и относительно невысокой частоты вращения коленчатого вала. Сдерживающими факторами применения турбонаддува на бензиновых двигателях являются возможность наступления детонации, которая связана с резким увеличением частоты вращения двигателя, а также высокая температура отработавших газов (1000°С против 600°С у дизелей) и соответствующий нагрев турбонагнетателя.

Несмотря на различия в  конструкции отдельных систем, можно  выделить следующее общее устройство турбонаддува:

воздухозаборник;

воздушный фильтр;

дроссельная заслонка;

турбокомпрессор;

интеркулер;

впускной коллектор;

впускные заслонки (на некоторых  конструкциях двигателей);

соединительные патрубки и напорные шланги;

элементы управления.

 

Большинство элементов турбонаддува являются типовыми элементами впускной системы. Отличительной особенностью турбонаддува является наличие турбокомпрессора, интеркулера и новых конструктивных элементов управления.

Турбокомпрессор (другое наименование – турбонагнетатель, газотурбинный нагнетатель) является основным конструктивным элементом турбонаддува и обеспечивает повышение давления воздуха во впускной системе. Конструкция турбокомпрессора включает (Рис. 1):