Способы увеличения мощности двигателя

Нагнетатель Roots характеризует быстрое создание необходимого давления наддува, а также рост этого давления с увеличением частоты вращения коленчатого вала. Вместе с тем в определенный момент может образоваться избыток давления, и как следствие – заторы в нагнетательном канале, снижение мощности двигателя. Поэтому при использовании механических нагнетателей всех типов осуществляется регулирование давления наддува.

Регулирование давления наддува  производится двумя способами:

отключением нагнетателя (например, с помощью электромагнитной муфты);

перепусканием воздуха при  непрерывной работе нагнетателя (с  помощью перепускного клапана).

Современные системы механического  наддува имеют электронное регулирование  наддува, включающее входные датчики (датчик давления наддува, датчик температуры  во впускном коллекторе и др.), электронный  блок управления, исполнительные механизмы (электромеханический модуль привода  перепускного клапана, электромагнит  муфты и др.).

Нагнетатели Roots имеют достаточно высокую стоимость, обусловленную малыми допусками в изготовлении. Они предъявляют повышенные требования к чистоте подаваемого воздуха, т.к. инородный предмет в впускной системе может привести к выходу из строя нагнетателя. Необходимо отметить большой вес нагнетателя и высокий уровень шума при его работе. Производители достаточно эффективно борются с шумом. В их арсенале специальная конструкция корпуса, демпфирующие пластины и маты, резонатор, демпферы и др.

Ведущим производителем нагнетателей Roots является фирма Eaton, которая в настоящее время предлагает высокоэффективные четырехкулачковые нагнетатели TVS, Twin Vortices Series (дословно - спаренная серия вихрей). Данные нагнетатели устанавливаются на серийные двигатели автомобилей Cadillac, Toyota, Audi. На некоторых двигателях кулачковые нагнетатели используются совместно с турбонагнетателями, например двойной наддув двигателя TSI.

Винтовой нагнетатель 

Винтовой нагнетатель (другое наименование по имени изобретателя – нагнетатель Lysholm) по конструкции похож на нагнетатель Roots. Нагнетатель включает два ротора-шнека специальной формы (один ротор c выступами, другой – с выемками). Роторы имеют коническую форму, при которой воздушные камеры между роторами уменьшаются в размере по длине.

Порция воздуха захватывается  шнеками, перемещается и сжимается  при вращении шнеков и нагнетается  в впускной патрубок. В отличие от кулачковых нагнетателей винтовой нагнетатель обеспечивает внутреннее (т.е. между шнеков) нагнетание воздуха, которое более эффективно. Но цена винтовых нагнетателей значительно больше, поэтому и применяются они реже, в основном на дорогих спортивных автомобилях.

 

 

Центробежный нагнетатель 

Центробежный нагнетатель  в части нагнетания воздуха аналогичен турбокомпрессору. Основу нагнетателя  составляет рабочее колесо (крыльчатка), которое вращается с высокой  скоростью (порядка 50000-60000 об/мин).

Воздух засасывается в  центральную часть колеса. Центробежная сила направляет воздух по лопастям специальной  формы наружу. Из рабочего колеса он выходит на большой скорости и  с низким давлением. При выходе воздух сталкивается с диффузором, имеющим  множество стационарных лопаток  вокруг рабочего колеса. Высокоскоростной поток воздуха низкого давления преобразуется в поток воздуха  низкой скорости и высокого давления⁵.

Центробежные нагнетатели  наиболее распространены из всех механических нагнетателей. Они компактные, легкие, эффективные, имеют возможность  разнообразного крепления на двигателе. В пассив центробежных нагнетателей следуют отнести зависимость  производительности от скорости вращения коленчатого вала. Это качество центробежных нагнетателей предполагает использование  привода с переменным передаточным отношением. Максимальное передаточное отношение привода требуется  при низких оборотах двигателя, минимальное - при высоких оборотах.

 

 

 

 

 

2. Наддув двигателя TSI

Двигатель TSI (Turbo Stratified Injection, дословно - турбонаддув и послойный впрыск) объединяет последние достижения конструкторской мысли – непосредственный впрыск топлива и турбонаддув.

Концерн Volkswagen разработал и предлагает на своих автомобилях линейку двигателей TSI, различающихся по конструкции, объему двигателя, мощностным показателям. В конструкции двигателей TSI производителем реализовано два подхода:

двойной наддув;

турбонаддув.

Двойной наддув двигателя TSI

Двойной наддув осуществляется в зависимости от потребности  двигателя двумя устройствами: механическим нагнетателем и турбокомпрессором. Комбинированное применение данных устройств позволяет реализовать  номинальный крутящий момент в широком  диапазоне оборотов двигателя.

Рисунок 4.Схема двойного наддува двигателя TSI.

1.Датчик давления во впускном трубопроводе с датчиком температуры воздуха.

2.Привод компрессора.

3.Механический нагнетатель.

4.Регулирующая заслонка.

5.Воздушный фильтр.

6.Датчик давления во впускном коллекторе с датчиком температуры воздуха.

7.Впускной коллектор.

8.Дроссельная заслонка.

9.Магнитная муфта.

10.Датчик давления наддува с датчиком температуры воздуха

интеркулер.

11.Клапан ограничения давления наддува.

12.Вакуумный привод.

13.выпускной коллектор.

14.каталитический нейтрализатор.

15.Турбокомпрессор.

16.Перепускной клапан.

17.Клапан рециркуляции турбокомпрессора.

А - воздух

Б - отработавшие газы

В конструкции двигателя  используется механический нагнетатель  типа Roots. Он представляет собой два ротора определенной формы, помещенных в корпус. Роторы вращаются в противоположные стороны, чем достигается всасывание воздуха с одной стороны, сжатие и нагнетание – с другой. Механический нагнетатель имеет ременной привод от коленчатого вала. Привод активизируется с помощью магнитной муфты. Для регулировки давления наддува параллельно компрессору установлена регулировочная заслонка.

На двигателе TSI с двойным  наддувом установлен стандартный турбокомпрессор. Охлаждение наддувочного воздуха осуществляется интеркулером воздушного типа.

Эффективную работу двойного наддува обеспечивает система управления двигателем. Для этого в конструкцию  системы включены дополнительные элементы, в том числе:

входные датчики:

датчик давления во впускном трубопроводе;

датчик давления наддува;

датчик давления во впускном коллекторе;

потенциометр регулирующей заслонки.

 

исполнительные механизмы:

магнитная муфта;

серводвигатель регулирующей заслонки;

клапан ограничения давления наддува;

клапан рециркуляции турбокомпрессора.

Датчики отслеживают давление наддува в различных местах системы: после механического нагнетателя, после турбокомпрессора и после  интеркулера. Каждый из датчиков давления объединен с датчиками температуры воздуха. ⁶

Магнитная муфта включается по сигналам блока управления двигателем, при которых на магнитную катушку  подается напряжение. Магнитное поле притягивает фрикционный диск и  замыкает его со шкивом. Механический компрессор начинает вращаться. Работа компрессора производится до тех  пор, пока на магнитную катушку подается напряжение.

Серводвигатель поворачивает регулирующую заслонку. При закрытой заслонке весь всасывающий воздух проходит через компрессор. Регулирование давления наддува механического компрессора производится путем открытия заслонки. При этом часть сжатого воздуха подается снова в компрессор, а давление наддува снижается. При неработающем компрессоре заслонка полностью открыта.

Клапан ограничения давления наддува срабатывает, когда энергия  отработавших газов создает избыточное давление наддува. Клапан обеспечивает работу вакуумного привода, который  в свою очередь открывает перепускной  клапан. Часть отработавших газов  идет мимо турбины.

Клапан рециркуляции турбокомпрессора обеспечивает работу системы на принудительном холостом ходу (при закрытой дроссельной  заслонке). Он предотвращает создание избыточного давления в промежутке между турбокомпрессором и закрытой дроссельной заслонкой.

Принцип работы двойного наддува  двигателя TSI

В зависимости от частоты  вращения коленчатого вала двигателя (нагрузки) различают следующие режимы работы системы двойного наддува:

безнаддувный режим (до 1000 об/мин);

работа механического  нагнетателя (1000-2400 об/мин);

совместная работа нагнетателя  и турбокомпрессора (2400-3500 об/мин);

работа турбокомпрессора (свыше 3500 об/мин).

На холостых оборотах двигатель  работает в безнаддувном режиме. Механический нагнетатель выключен, регулирующая заслонка открыта. Энергия отработавших газов невелика, турбокомпрессор не создает давления наддува.

С ростом числа оборотов, включается механический нагнетатель  и закрывается регулирующая заслонка. Давление наддува, в основном, создает  механический нагнетатель (0,17 МПа). Турбокомпрессор  обеспечивает небольшое дополнительное сжатие воздуха.

При частоте вращения коленчатого  вала двигателя в пределе 2400-3500 об/мин давление наддува создает турбокомпрессор. Механический нагнетатель подключается при необходимости, например, при резком ускорении (резком открытии дроссельной заслонки). Давление наддува может достигать 0,25 МПа.

Далее работа системы осуществляется только за счет турбокомпрессора. Механический нагнетатель выключен. Регулирующая заслонка открыта. Для предотвращения детонации с ростом числа оборотов давление наддува несколько падает. При частоте вращения 5500 об/мин оно составляет порядка 0,18 МПа.

Турбонаддув двигателя TSI.

В данных двигателях наддув осуществляется исключительно турбокомпрессором. Конструкция турбокомпрессора обеспечивает достижение номинального крутящего  момента уже при низких оборотах двигателя и поддержание его  в широком пределе (от 1500 до 4000 об/мин). Выдающиеся характеристики турбокомпрессора получены за счет максимального снижения инерции вращающихся частей: уменьшен наружный диаметр рабочего колеса турбины и компрессора.

Рисунок 5.Схема турбонаддува двигателя TSI.

1.Вакуумный привод.

2.Электромагнитный клапан ограничения давления наддува.

3.Выпускной коллектор.

4.Охладитель наддувочного воздуха.

5.Впускной коллектор.

6.Датчик давления во впускном коллекторе с дачиком температуры воздуха.

7.Модуль дроссельной заслонки.

8.Датчик давления наддува с датчиком температуры воздуха.

9.Клапан рециркуляции турбокомпрессора.

10.Воздушный фильтр.

11.Турбокомпрессор.

12.Перепускной клапан.

А - воздух

Б - отработавшие газы

Регулирование наддува в  системе традиционно осуществляется с помощью перепускного клапана. Клапан может иметь пневматический или электрический привод. Работу пневматического привода обеспечивает электромагнитный клапан ограничения  давления наддува. Электрический привод представлен электрическим направляющим устройством, состоящим из электродвигателя, зубчатой передачи, рычажного механизма  и датчика положения устройства.

В двигателе с турбонаддувом, в отличие от двойного наддува, используется жидкостная система охлаждения наддувочного воздуха. Она имеет независимый от системы охлаждения двигателя контур и образует с ней двухконтурную систему охлаждения. Система охлаждения наддувочного воздуха включает: охладитель наддувочного воздуха, насос, радиатор и систему трубопроводов. Охладитель наддувочного воздуха размещен в впускном коллекторе. Охладитель состоит из алюминиевых пластин, через которые проходят трубы системы охлаждения⁷.

Охлаждение наддувочного воздуха производится по сигналу блока управления двигателем включением насоса. Поток нагретого воздуха проходит через пластины, отдает им тепло, а те, в свою очередь, отдают его жидкости. Охлаждающая жидкость движется по контуру с помощью насоса, охлаждается в радиаторе и далее по кругу.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Заключение

 Для тех, кто решится  на доукомплектацию своего автомобиля таким приспособлением, необходимо учитывать, что нагрузки на кривошипно-шатунный механизм возрастают. И на таких моторах, как правило, изготавливаются более прочные: коленчатый вал, шатуны и поршневые пальцы.

Кроме того, автомобиль укомплектованный такими устройствами становится дороже. В связи с высокой скоростью вращения, турбины очень требовательны к смазочным материалам и обладают невысоким сроком службы (около 150-200 тыс. км). Для того чтобы продлить их жизнь, необходимо помнить основное правило – не глушить мотор сразу же после его работы на высоких оборотах, а дать ему пару минут поработать на холостом ходу.  В противном случае, давление масла падает быстрее, чем останавливается турбина, тем самым механизм работает некоторое время без смазки. Кроме того, резкое падение температуры масла приводит к его коксованию, что также отражается на его характеристиках.