Мощность, которую может развить двигатель внутреннего сгорания, зависит от
количества воздуха и топлива, которые поступают в двигатель. Таким образом,
добиться повышения мощности можно, увеличив количество этих компонентов.
Увеличение количества топлива совершенно бессмысленно, если одновременно не
увеличивается количество воздуха для его сгорания. Поэтому одним из решений
проблемы повышения мощности двигателя является увеличение количества воздуха,
поступающего в цилиндры, при этом можно сжечь больше топлива и получить,
соответственно, большую энергию. Это подразумевает, что необходимый для сгорания
топлива воздух должен быть сжат перед подачей в цилиндры.
Системы принудительной подачи (нагнетания) воздуха можно разделить на
работающие за счет энергии отработавших газов (турбо-наддув) и с механическим
приводом. В данной книге рассматриваются конструкции и принципы работы различных
компрессоров как для бензиновых, так и для дизельных двигателей.
1.1.
Нагнетание воздуха при помощи турбокомпрессора
Как уже говорилось выше, мощность, развиваемая двигателем, зависит от
количества воздуха и смешанного с ним топлива, которое может быть подано в
двигатель. Если нужно увеличить мощность двигателя, нужно увеличить как
количество подаваемого воздуха, так и топлива. Подача большого количества
топлива не даст эффекта до тех пор, пока не появится достаточное для его
сгорания количество воздуха, иначе образуется избыток несгоревшего топлива, что
приводит к перегреву двигателя, который к тому же сильно дымит.
Увеличение мощности атмосферного двигателя может быть достигнуто путем
увеличения либо его рабочего объема, либо оборотов. Увеличение рабочего объема,
сразу же увеличивает вес, размеры двигателя и в конечном итоге его стоимость.
Увеличение оборотов проблематично из-за возникающих при этом технических
проблем, особенно в случае двигателя со значительным рабочим объемом.
Технически приемлемым решением проблемы увеличения мощности, является
использование нагнетателя (компрессора). Это означает, что подающийся в
двигатель воздух сжимают перед его впуском в камеру сгорания.
Другими словами, компрессор обеспечивает подачу необходимого количества
воздуха, достаточного для полного сгорания увеличенной дозы топлива.
Следовательно, при прежнем рабочем объеме и тех же оборотах мы получаем большую
мощность.
Существует два основных типа компрессоров: с механическим приводом и "турбо"
(использующие энергию отработанных газов). Кроме того, существуют также
комбинированные системы, например, турбокомпаундная. В случае компрессора с
механическим приводом необходимое давление воздуха получают благодаря
механической связи между коленвалом двигателя и компрессором. В турбокомпрессоре
давление воздуха получают благодаря вращению турбины потоком отработавших газов.
Турбокомпрессор был впервые сконструирован швейцарским инженером Бюши еще в
1905 году, но только много лет спустя он был доработан и использован на серийных
двигателях с большим рабочим объемом.
В принципе, любой турбокомпрессор состоит из центробежного воздушного насоса
и турбины, связанных при помощи общей жесткой оси между собой. Оба эти элемента
вращаются в одном направлении и с одинаковой скоростью. Энергия потоков
отработавших газов, которая в обычных двигателях , преобразуется здесь в
крутящий момент, приводящий в действие компрессор. Происходит это так. Выходящие
из цилиндров двигателя отработавшие газы имеют высокую температуру и давление.
Они разгоняются до большой скорости и вступают в контакт с лопатками турбины,
которая и преобразует их кинетическую энергию в механическую энергию вращения
(крутящий момент).
Это преобразование энергии сопровождается снижением температуры газов и их
давления. Компрессор засасывает воздух через воздушный фильтр, сжимает его и
подает в цилиндры двигателя. Количество топлива, которое можно смешать с
воздухом, при этом можно увеличить, что позволяет двигателю развивать большую
мощность. Кроме того, улучшается процесс сгорания, что позволяет увеличить
характеристики двигателя в широком диапазоне чисел оборотов.
Между двигателем и турбокомпрессором существует связь только через поток
отработавших газов. Частота вращения турбокомпрессора напрямую не зависит от
числа оборотов двигателя и характеризуется некоторой инерционностью, т.е.
сначала увеличивается подача топлива, увеличивается энергия потоков отработавших
газов, а затем уже увеличиваются обороты турбины и давление нагнетания и в
цилиндры двигателя поступает еще больше воздуха, что дает возможность увеличить
подачу топлива.
Подача и давление воздуха в турбокомпрессоре без регулирования давления
наддува, прямо пропорциональны энергии отработавших газов, т.е. числу оборотов
турбины.
Для двигателей, работающих в широком диапазоне оборотов (например, в легковом
автомобиле), высокое давление наддува желательно даже на низких оборотах. Именно
поэтому будущее принадлежит турбокомпрессорам с регулируемым давлением.
Небольшой диаметр современных турбин и специальные сечения газовых каналов
способствуют уменьшению инерционности, т.е. турбина очень быстро разгоняется и
давление воздуха очень быстро достигает требуемого значения. Регулировочный
клапан следит за тем, чтобы давление наддува не возрастало выше определенного
значения, при превышении которого двигатель может быть поврежден.
1.2. Типы
выпускных систем с турбокомпрессором
Существует два основных типа выпускных систем с турбокомпрессором с
постоянным давлением на входе в турбину и с импульсным давлением на входе в
турбину.
Применяются оба типа, иногда в комбинированных вариантах. Выбор определяется
типом двигателя, количеством цилиндров, спецификой использования и множеством
других факторов.
В выпускных системах с постоянным давлением на входе в турбину отработавшие
газы от всех цилиндров собираются в общем выпускном коллекторе и затем, при
почти постоянным давлении, направляются к турбокомпрессору.
В выпускных системах с импульсным давлением на входе в турбину используется
выпускной коллектор типа "спагетти", в этом случае отработавшие газы подводятся
к турбокомпрессору по отдельным патрубкам, идущим от каждого цилиндра, что
позволяет использовать резонансные явления в выпускном коллекторе и добиться
максимальной производительности от турбокомпрессора в узком диапазоне чисел
оборотов.
1.3. Преимущества турбокомпрессорного двигателя
Двигатель, оснащенный турбокомпрессором, обладает техническими и
экономическими преимуществами по сравнению с атмосферным (безнаддувным)
давлением.
Соотношение масса/мощность у двигателя с турбокомпрессором выше,
чем у атмосферного двигателя
Двигатель с турбокомпрессором менее громоздок,
чем атмосферный двигатель той же мощности.
Кривая крутящего момента
двигателя с турбокомпрессором может быть лучше адаптирована к специфическим
условиям эксплуатации. При этом, например, водитель тяжелого грузовика должен
намного реже переключать передачи на горной дороге и само вождение будет более
"мягким"
Кроме того, можно на базе атмосферных двигателей создавать версии, оснащенные
турбокомпрессором и отличающиеся по мощности.
Еще более ощутимы преимущества двигателя с турбокомпрессором на высоте.
Атмосферный двигатель теряет мощность из-за разряжения воздуха, а
турбокомпрессор, обеспечивая повышенную подачу воздуха, компенсирует снижение
атмосферного давления, почти не ухудшая характеристики двигателя. Количество
нагнетаемого воздуха станет лишь ненамного меньше, чем на более низкой высоте,
то есть двигатель практически сохраняет свою обычную мощность.
Кроме того:
Двигатель с турбокомпрессором обеспечивает лучшее сгорание
топлива. Подтверждением тому служит уменьшение потребления топлива грузовиками
на больших пробегах.
Поскольку турбокомпрессор улучшает сгорание, он также
способствует уменьшению токсичности отработавших газов.
Двигатель,
оснащенный турбокомпрессором, работает более стабильно, чем его атмосферный
аналог той же мощности, а будучи меньшим по размеру, он производит,
соответственно, меньше шума. Кроме того, турбокомпрессор играет роль
своеобразного глушителя в системе выпуска.
1.4. Возможности использования
турбокомпрессоровТурбокомпрессором может быть оснащен любой двигатель
внутреннего сгорания, дизельный, бензиновый или работающий на газе, имеющий
жидкостное или воздушное охлаждение. Турбокомпрессоры используются на двигателях
как с большим рабочим объемом (судовых, тепловозных и стационарных), так и на
двигателях грузовых и легковых автомобилей. Также не имеет никакого значения,
идет ли речь о 2-тактном или о 4-тактном двигателе.
В настоящее время практически все большие дизельные двигатели мощностью более
150 кВт, используемые в промышленности, судостроении, на дорожно-строительных
работах, оснащаются турбокомпрессором.
В сфере автомобильного транспорта любой дизельный двигатель мощностью более
80 кВт стандартно оснащается турбокомпрессором.
Даже в секторе небольших автомобилей с дизельным двигателем наблюдается
распространение турбокомпрессоров. Приход турбокомпрессоров на бензиновые
двигатели был более трудным, но ускорился благодаря опыту их использования на
кольцевых автогонках и авторалли. Расширение производства материалов, обладающих
высокими температурными характеристиками, улучшение качества моторных масел,
применение жидкостного охлаждения корпуса турбокомпрессора, электронное
управление регулирующими клапанами - все это способствует тому, что
турбокомпрессоры стали использоваться на мелкосерийных бензиновых двигателях,
что в сочетании с впрыском и электронным зажиганием позволило достичь очень
высоких характеристик.
| 