Введение
Мощность, которую может развить ДВС, напрямую зависит от количества воздуха и топлива, которые поступают в двигатель. Значит, добиться повышения мощности двигателя можно, увеличив количество этих составляющих. Увеличение количества топлива бесполезно, если одновременно не увеличивается объем воздуха для его сгорания. Одним из решений этой проблемы является увеличение объема воздуха, поступившего в цилиндры, при этом сжигание большего количества топлива дает возможность получить большую энергию. Это означает, что необходимый для сгорания топлива воздух необходимо сжать перед подачей в цилиндры.
Системы принудительного нагнетания воздуха разделяют на те которые работают за счет энергии отработавших газов (турбо-наддув) и с механическим приводом. Мы рассмотрим различные конструкции и принципы работы компрессоров для бензиновых и дизельных двигателей.
1.1. Нагнетание воздуха при помощи турбокомпрессора
Мы уже говорили, что мощность, которую развивает двигатель, зависит от объема воздуха и смешанного с ним топлива, которое подается в двигатель. Для увеличения мощности двигателя, необходимо повысить объем подаваемого воздуха, и топлива. Повышение количества топлива не будет эффективным пока не появится количество воздуха достаточное для его сгорания , иначе образуется избыток не сгоревшего топлива, что вызывает перегрев двигателя, который к тому же сильно дымит.
Увеличить мощности атмосферного двигателя можно путем увеличения его рабочего объема, либо оборотов которые он развивает. Если увеличить рабочий объем, то сразу же увеличиться масса, размеры двигателя и в итоге увеличиться его стоимость. Увеличение оборотов проблематично из-за возникающих технических проблем.
Приемлемым решением проблемы увеличения мощности, является применение нагнетателя. При этом воздух сжимают перед его впуском в камеру сгорания.
Другими словами, компрессор обеспечивает подачу необходимого объема воздуха, которого хватит для полного сгорания повышенного количества топлива. А это значит, что при том же рабочем объеме и тех же оборотах мощность увеличивается.
Различают два основных типа компрессоров: первый - с механическим приводом, - второй "турбо" (использующие энергию отработанных газов). Помимо этого, существуют комбинированные компрессоры. Компрессор с механическим приводом обеспечивает необходимое давление воздуха благодаря механической связи между коленчатым валом двигателя и механизмом компрессора. В турбокомпрессоре давление воздуха повышается при помощи отработаных газов которые вращают ротор турбины.
Сконструировал турбокомпрессор швейцарский инженер Бюши в 1905 году, но лишь много лет спустя после доработки его стали использовать на двигателях с большим рабочим объемом.
Любой турбокомпрессор состоит из центробежного воздушного насоса и турбины, связанных при помощи общей оси между собой. Они вращаются в одном направлении с одинаковой скоростью. Отработанные газы приводят в действие компрессор.Как это происходит? Выходящие из цилиндров отработанные газы имеют высокое давление и температуру. Разгоняясь до большой скорости они вступают в контакт с лопастями турбины, которая преобразует их энергию в механическую энергию вращения турбины.
Это преобразование энергии сопровождается понижением температуры газов и их давления. Компрессор через воздушный фильтр засасывает воздух, сжимает его и подает в двигатель. Количество топлива, которое можно смешать с объемом воздуха, при этом можно увеличить, двигатель при этом может развить большую мощность. Также, улучшается процесс сгорания смеси, и увеличиваются характеристики двигателя в широком диапазоне чисел оборотов.
Двигатель и турбокомпрессор связаны между собой только потоком отработанных газов. Частота вращения ротора турбокомпрессора напрямую не зависит от оборотов двигателя, а характеризуется некоторой инерционностью: сначала повышается подача топлива, увеличивается энергия потоков отработанных газов, и только после этого увеличиваются обороты турбины и давление нагнетания, в двигатель поступает еще большее количество воздуха, это дает возможность увеличить подачу топлива.
Подача и давление воздуха в турбокомпрессоре без регулирования давления наддува, пропорциональны энергии отработанных газов - числу оборотов турбины.
Для ДВС, работающих в широком диапазоне оборотов (автомобиль), высокое давление наддува желательно и на низких оборотах. Поэтому считаеться что будущее принадлежит турбокомпрессорам с регулируемым давлением. Небольшой диаметр турбин и подобранные сечения газовых каналов уменьшают инерционность. Это значит что турбина очень быстро разгоняется и давление воздуха быстро достигает требуемого значения. Применение регулировочного клапана позволяет следить за тем, чтобы давление наддува не превышало определенного значения, при превышении которого двигатель может быть поврежден.
1.2. Типы выпускных систем в которых используют турбокомпрессор
Различают два основных типа выпускных систем с турбокомпрессором: первый - с постоянным давлением на входе в турбину; второй - с импульсным давлением.
Используются оба типа, иногда даже в комбинированных вариантах. Выбор определяется типом ДВС, спецификой использования двигателя и другими факторами.
В выпускных системах первого типа - с постоянным давлением, отработанные газы всех цилиндров собираются в общем выпускном коллекторе и после этого, при почти постоянном давлении, подаются в турбокомпрессор.
В выпускных системах второго типа - с импульсным давлением, используется специальный выпускной коллектор, при этом отработанные газы подводятся к турбокомпрессору по отдельным патрубкам от каждого цилиндра, это дает возможность добиться максимальной производительности от турбокомпрессора в узком диапазоне оборотов.
1.3. Преимущества двигателя с турбокомпрессором
Оснащенный турбокомпрессором двигатель обладает рядом преимуществ по сравнению с двигателем в котором используется атмосферное (безнаддувное) давление.
- Соотношение масса/мощность у оснащенного турбокомпрессором двигателя выше, чем у двигателя без турбокомпрессора
- Двигатель с турбокомпрессором менее громоздок (занимает меньше места), чем двигатель без турбокомпрессора той же мощности.
- Кривая крутящего момента двигателя на котором используют турбокомпрессор может быть лучше адаптирована к специфическим условиям эксплуатации. При этом, к примеру, водитель тяжелого грузовика может реже переключать передачи на горной дороге
Помимо этого, на базе атмосферных двигателей, можно создавать версии оснащенные турбокомпрессором повышая мощность.
Ощутимы преимущества двигателя с турбокомпрессором на высоте (в горах). Двигатель без наддува теряет мощность из-за разряжения воздуха, а турбокомпрессор компенсирует снижение атмосферного давления, заметно не ухудшая мощности двигателя. Объем нагнетаемого воздуха станет лишь немного меньше, чем на более низких высотах, а значит двигатель практически сохраняет обычную мощность.
Кроме того:
- Двигатель оснащенный турбокомпрессором обеспечивает более качественное сгорание топлива. Подтверждением чему служит снижение потребления топлива грузовыми автомобилями на больших расстояниях.
- турбокомпрессор способствует уменьшению токсичности отработанных газов, так как обеспечивает более качественное сгорание топлива
- Двигатель с турбокомпрессором, работает стабильнее, чем его атмосферный аналог той же мощности, и имея меньший размер, он является менее шумным. Кроме того, принимая в себя отработанные газы, турбокомпрессор является своеобразным глушителем в системе выпуска.
1.4. Возможности использования турбокомпрессоров
турбокомпрессор можно установить практически на любой двигатель внутреннего сгорания, дизельный, бензиновый или работающий на газе, имеющий жидкостное или воздушное охлаждение. турбокомпрессоры применяются на двигателях как с большим рабочим объемом (судовых, тепловозных и стационарных), так и на двигателях грузовых и легковых автомобилей.
В настоящее время все большие дизельные двигатели мощностью более 150 кВт оснащаются турбокомпрессором.
В сфере автомобильного транспорта любой дизельный двигатель мощностью более 80 кВт оснащается турбокомпрессором.
Даже в секторе небольших автомобилей с дизельным двигателем наблюдается распространение турбокомпрессоров. Применение турбокомпрессоров на бензиновых двигателях проходило более труднее, но ускорилось благодаря опыту использования турбированых двигателей на авторалли. Расширение производства материалов, обладающих высокими температурными характеристиками, улучшение качества моторных масел, применение жидкостного охлаждения корпуса турбокомпрессора, и другие разработки - все это способствовало тому, что турбокомпрессоры стали использоваться на мелкосерийных бензиновых двигателях, что позволило достичь очень высоких характеристик.
1. Турбокомпрессоры (Ведение)
2. Книга о турбокомпрессорах (Турбокомпрессоры для массовых дизельных двигателей)
3. Книга о турбокомпрессорах (Турбокомпрессоры автомобилей)
4. Книга о турбокомпрессорах (Продолжение развития турбокомпрессоров)
5. Книга о турбокомпрессорах (Дополнительные системы)
6. Книга о турбокомпрессорах (Сжатие воздуха механическим компрессором)
7. Практические советы по обслуживанию