Способы увеличения мощности двигателя

Рисунок 1. Устройство турбокомпрессора (турбонагнетателя)

         1. Корпус компрессора.

2. Вал ротора.

3. Корпус турбины.

4. Турбинное колесо.

5. Уплотнительные кольца.

6. Подшипники скольжения.

7. Корпус подшипников.

8. Компрессорное колесо.

Турбинное колесо воспринимает энергию отработавших газов. Колесо вращается в корпусе специальной  формы. Турбинное колесо и корпус турбины изготавливаются из жаропрочных  материалов (сплавы, керамика).

Компрессорное колесо всасывает  воздух, сжимает и нагнетает его  в цилиндры двигателя. Компрессорное  колесо также вращается в специальном  корпусе.

Турбинное и компрессорное  колеса жестко закреплены на валу ротора. Вал вращается в подшипниках  скольжения. Подшипники плавающего типа, т.е. имеют зазор со стороны корпуса  и вала. Подшипники смазываются моторным маслом системы смазки двигателя. Масло  подается по каналам в корпусе  подшипников. Для герметизации масла  на валу установлены уплотнительные кольца.²

В некоторых конструкциях бензиновых двигателей для улучшения  охлаждения дополнительно к смазке применяется жидкостное охлаждение турбонагнетателей. Курпус подшипников турбонагнеталея включен в двухконтурную систему охлаждения двигателя.

Интеркулер предназначен для охлаждения сжатого воздуха. За счет охлаждения сжатого воздуха повышается его плотность и увеличивается давление. Интеркулер представляет собой радиатор воздушного или жидкостного типа .

 Основным элементом  управления системы турбонаддува является регулятор давления наддува, который представляет собой перепускной клапан (вейстгейт, wastegate). Клапан ограничивает энергию отработавших газов, направляя их часть в обход турбинного колеса, тем самым обеспечивает оптимальное давление наддува. Клапан имеет пневматический или электрический привод. Срабатывание перепускного клапана производится на основании сигналов датчика давления наддува системой управления двигателем.

В воздушном тракте высокого давления (после компрессора) может  устанавливаться предохранительный  клапан. Он защищает системы от скачка давления воздуха, который может  произойти при резком закрытии дроссельной  заслонки. Избыточное давление может  стравливаться в атмосферу с  помощью блуофф-клапана (blowoff) или перепускаться на вход компрессора с помощью байпас-клапана (bypass).

Принцип работы турбонаддува

Работа системы турбонаддува основана на использовыании энергии отработавших газов. Отработавшие газы вращают турбинное колесо, которое через вал ротора вращает компрессорное колесо. Компрессорное колесо сжимает воздух и нагнетает его в систему. Нагретый при сжатии воздух охлаждается в интеркулере и поступает в цилиндры двигателя.

Несмотря на то, что турбонаддув не имеет жесткой связи с коленчатым валом двигателя, эффективность работы системы во многом зависит от числа оборотов двигателя. Чем выше частота вращения коленчатого вала двигателя, тем выше энергия отработавших газов, быстрее вращается турбина, больше сжатого воздуха поступает в цилиндры двигателя.³

В силу конструкции, турбонаддув имеет ряд негативных особенностей:

задержка увеличения мощности двигателя при резком нажатии  на педаль газа, т.н. «турбояма» (turbolag);

резкое увеличение давления наддува после преодоления «турбоямы», т.н. «турбоподхват».

«Турбояма» обусловлена инерционностью системы (для повышения давления наддува при резком нажатии на педаль газа требуется определенное время), которая приводит к несоответствию между потребной мощностью и производительностью компрессора. Существуют турбины с изменяемой геометрией .

Турбина с изменяемой геометрией (VNT – турбина) обеспечивает оптимизацию  потока отработавших газов за счет изменения площади входного канала. Турбины с изменяемой геометрией нашли широкое применение в турбонаддуве дизельных двигателей.

 

1.3. Система Twin Turbo

Система турбонаддува, в которой используется два турбокомпрессора, носит название Twin Turbo. Изначально два турбокомпрессора применялись для преодоления инерционности системы, т.н. турбозадержки (турбоямы). В дальнейшем область применения спаренных турбокомпрессоров расширилась и в настоящее время позволяет значительно повышать выходную мощность, поддерживать номинальный крутящий момент в широком диапазоне оборотов двигателя, снижать удельный расход топлива.

Различают три конструктивные схемы системы Twin Turbo: параллельную, последовательную и ступенчатую. Схемы различаются характеристиками, расположением и порядком работы турбокомпрессоров. Работу турбокомпрессоров регулирует электронная система управления, включающая входные датчики, блок управления и приводы клапанов управления потоком воздуха и отработавших газов.

Twin Turbo – торговое название системы турбонаддува, другое используемое название (синоним) Biturbo. В некоторых истониках информации под названием Biturbo понимается система с параллельной схемой работы турбокомпрессоров, что не совсем верно.

Параллельный Twin Turbo

Система параллельного Twin Turbo включает два одинаковых турбокомпрессора, работающих одновременно и параллельно друг другу. Параллельная работа реализуется путем равномерного разделения потока отработавших газов между турбокомпрессорами. Сжатый воздух от каждого компрессора поступает в общий впускной коллектор и далее распределяется по цилиндрам.

Параллельный Twin Turbo применяется в основном на V-образных дизельных двигателях. Каждый турбокомпрессор закреплен на своем выпускном коллекторе. Эффективность параллельной схемы турбонаддува базируется на том, что две небольшие турбины имеют меньшую инерционность, чем одна большая. За счет этого сокращается «турбояма», турбокомпрессоры работают на всех оборотах двигателя, обеспечивая быстрое повышение давления наддува.

Последовательный Twin Turbo.

Система последовательного  Twin Turbo включает два соизмеримых по характеристикам турбокомпрессора. Первый турбокомпрессор работает постоянно, второй включается в работу при определенных режимах работы двигателя (частота оборотов, нагрузка).

Рисунок 2.Схема системы Twin Turbo.

1.Перепускной клапан наддува (bypass);

2.Клапан управления подачей воздуха;

3.Датчик разности давлений;

4.Клапан управления подачей отработавших газов;

5.Вторичный турбокомпрессор;

6.Интеркулер;

7.Первичный турбокомпрессор;

8.Перепускной клапан отработавших газов (wastegate)

 

Переход между режимами обеспечивает электронная система управления, которая регулирует поток отработавших газов ко второму турокомпрессору с помощью специального клапана. При полном открытии клапана управления подачей отработавших газов оба турбокомпрессора работают параллельно, поэтому правильно систему называть последовательно-параллельная. Сжатый воздух от двух турбокомпрессоров подается в общий впускной коллектор и распределяется по цилиндрам.

Система последовательного  Twin Turbo минимизирует последствия турбозадержки и позволяет достичь максимальной выходной мощности. Применяется на бензиновых и дизельных двигателях.

Двухступенчатый турбонаддув.

Самой совершенной в техническом  плане является система двухступенчатого турбонаддува. С 2004 года система двухступенчатого турбонаддува применяется на ряде дизельных двигателей от Opel. Другой производитель - компания BorgWarner Turbo Systems внедряет систему на дизельные двигатели BMW и Cummins.

Рисунок 3.Схема двухступенчатого турбонаддува.

 

1.Охладитель наддувочного воздуха;

2.Перепускной клапан наддува (bypass);

3.Турбокомпрессор ступени высокого давления;

4.Турбокомпрессор ступени низкого давления;

5.Перепускной клапан отработавших газов (wastegate)

Система двухступенчатого турбонаддува состоит из двух турбокомпрессоров разного размера, установленных последовательно в выпускном и впускном (воздушном) трактах. В системе используется клапанное регулирование потока отработавших газов и нагнетаемого воздуха.

При низких оборотах двигателя  перепускной клапан отработавших газов  закрыт. Отработавшие газы проходят через  малый турбокомпрессор (имеет минимальную  инерцию и максимальную отдачу) и  далее через большой турбокомпрессор. Давление отработавших газов невелико. Поэтому большая турбина почти  не вращается. На впуске перепускной  клапан наддува закрыт. Воздух проходит последовательно через большой (первая ступень) и малый (вторая ступень) компрессоры.

С ростом оборотов осуществляется совместная работа турбокомпрессоров. Перепускной клапан отработавших газов  постепенно открывается. Часть отработавших газов идет непосредственно через большую турбину, которая раскручивается все более интенсивно. На впуске большой компрессор сжимает воздух с определенным давлением, но оно недостаточно большое. Поэтому далее сжатый воздух поступает в малый компрессор, где происходит дальнейшее повышение давления. Перепускной клапан наддува при этом по прежнему закрыт.

При полной нагрузке перепускной  клапан отработавших газов открыт полностью. Газы практически полностью проходят через большую турбину, раскручивая  ее до максимальной частоты. Малая турбина  останавливается. На впуске большой  компрессор обеспечивает максимальное давление наддува. Малый компрессор, наоборот, создает препятствие для  воздуха, поэтому в определенный момент открывается перепускной  клапан наддува и сжатый воздух поступает напрямую к двигателю.⁴

Таким образом, система двухступенчатого турбонаддува обеспечивает эффективную работу турбокомпрессоров на всех режимах работы двигателя. Система разрешает известное противоречие дизельных двигателей между высоким крутящим моментом на низких оборотах и максимальной мощностью на высоких оборотах. С помощью двухступенчатых турбокомпрессоров номинальный крутящий момент достигается быстро и поддерживается в широком диапазоне оборотов двигателя, обеспечивается максимальное повышение мощности.

1.4 Механический  нагнетатель

Механический нагнетатель - основной конструктивный элемент  системы механического наддува. С помощью нагнетателя в впускном тракте создается давление выше атмосферного, а механический он потому, что привод рабочего органа осуществляется непосредственного от коленчатого вала двигателя. За рубежом механический нагнетатель называют одним словом – supercharger.

Применение механического  нагнетателя обеспечивает повышение  мощности (до 50%) и крутящего момента (до 30%) двигателя. Вместе с тем, механический нагнетатель отличают значительные затраты мощности двигателя на привод, которые могут достигать 30%.

Механический нагнетатель  выполняет следующие взаимосвязанные  функции: втягивание воздуха, сжатие воздуха  и нагнетание воздуха во впускную систему. Втягивание воздуха происходит посредством созданного разряжения. Для того чтобы создать давление, нагнетатель должен вращаться быстрее  чем двигатель. Нагнетание воздуха  в впускной тракт осуществляется за счет разницы давлений в системе.

Воздух имеет свойство нагреваться при сжатии, при этом снижается его плотность и  соответственно давление. Поэтому в  системах наддува сжатый воздух охлаждается  с помощью интеркулера.

Механический нагнетатель  конструктивно может иметь один из следующих приводов:

прямой привод (непосредственное крепление нагнетателя на фланец коленчатого вала);

ременной привод (различный виды ремней – клиновой, зубчатый, плоский);

цепной привод;

зубчатая передача (цилиндрический редуктор);

электрический привод (электродвигатель).

На современных автомобилях  применяются три основных типа механических нагнетателей:

кулачковый нагнетатель (нагнетатель Roots);

винтовой нагнетатель (нагнетатель  Lysholm);

центробежный нагнетатель.

Кулачковый нагнетатель.

Кулачковый нагнетатель  является самым старым типом механического  нагнетателя, т.к. используется на автомобилях  с 1900 года. Имеет другое название по имени изобретателей – нагнетатель Roots, обиходное название воздуходувка.

Современный кулачковый нагнетатель  имеет два трех- или четырехкулачковых ротора, которые вращаются навстречу друг другу. Кулачки расположены по спирали на всей длине ротора. Угол закрутки кулачков обеспечивает максимальную эффективность в плане нагнетания и потерь.

По конструкции и принципу действия кулачковый нагнетатель очень  похож на шестеренный масляный насос. Воздух в нагнетателе захватывается  кулачками, перемещается в пространстве между кулачками и стенками корпуса, нагнетается в впускной трубопровод. Имеет место т.н. внешнее нагнетание.