Виды наддува.
Существует несколько систем наддува. В первую очередь к ним следует отнести самый распространенный вид - турбонаддув - наддув за счет использования энергии выхлопных газов (рис. а). Этот вид наддува более подробно рассмотрим далее.
Второй вариант наддува - это наддув от приводного нагнетателя - так называемый SUPERCHARGER. На современных двигателях данная схема применяется редко из-за сложности конструкции нагнетателя и его недостаточной надежности. Преимуществом его по сравнению с турбонаддувом является более высокое давление наддува на пониженных режимах, а также отсутствие так называемой "турбоямы", т.е. характерного "провала" мощности при резком открытии дроссельной заслонки. Это определяет область применения приводного нагнетателя - в основном на не слишком быстроходных двигателях (FORD, GM), хотя в последние годы наметилась тенденция их использования и на высокооборотных двигателях (MERCEDES).
На дизелях автомобилей MAZDA установлен волновой обменник давления COMPREX, обеспечивающий наддув за счет взаимодействия волн давления и разрежения, распространяющихся в каналах вращающегося ротора. Этот тип наддува позволяет достичь более высокого форсирования, чем другие системы наддува, но пока не получил распространения из-за сложности конструкции (рис в).
Турбонаддув
1 - форсунка подачи топлива;
2 - компрессор;
3 - регулятор давления наддува;
4 - турбина;
Приводной компрессор
5 - передача клиновым ремнем;
6 - приводной компрессор;
7 - регулятор давления наддува;
Волновой обменник давления
8 - передача зубчатым ремнем;
9 - ротор волнового обменника;
Сравнение различных систем наддува по крутящему моменту двигателя на различных частотах вращения:
1. базовый двигатель без наддува;
2. двигатель с турбонаддувом;
3. двигатель с приводным нагнетателем;
4. двигатель с волновым обменником давления.
Oснова турбонаддува
Основой системы турбонаддува двигателя, и в то же время наиболее сложным ее элементом, является турбокомпрессор. Принцип работы турбокомпрессора заключается в том, что энергия оставшаяся в выхлопных газах не уходит в атмосферу, а идет на повышение давления и плотности воздуха поступающего в двигатель.
Отработанные двигателем газы через выпускной коллектор попадают в корпус турбины (горячая улитка). Давление газов и тепловая энергия газов вращают колесо турбины (горячая крыльчатка), которое, в свою очередь, вращает колесо компрессора (холодная крыльчатка). После этого выхлопные газы выбрасываются в атмосферу.
При вращении колесо компрессора всасывает воздух через воздушный фильтр. Лопасти колеса компрессора ускоряют и выталкивают воздух в корпус компрессора (холодная улитка), где воздух сжимается и во впускной коллектор двигателя. Воздух на выходе из компрессора имеет не только повышенное давление, но и температуру, снижающую плотность заряда, что неблагоприятно отражается на наполнении и, следовательно, мощности двигателя. Поэтому на многих двигателях с турбонаддувом с целью повышения плотности воздуха и, соответственно, улучшения наполнения цилиндров применяют промежуточное охлаждение наддуваемого воздуха (intercooler). Для этого, после компрессора воздух направляют в специальный "воздухо-воздушный" радиатор, установленный рядом с радиатором системы охлаждения.
Особенности работы двигателя с наддувом
Наддув является эффективным способом повышения мощности двигателя при сохранении его объема. Если степень форсирования двигателя характеризовать литровой мощностью Nn = N/Vh, где N - максимальная мощность; Vh -рабочий объем, то у двигателей с наддувом литровая мощность достигает порядка 85-90 кВт/л (110-120 л.с./л), что на 30-40% выше, чем у современных двигателей без наддува.
Двигатели с наддувом имеют меньшую геометрическую степень сжатия. Если в двигателях без наддува (бензиновых) ее значение порядка 9,5-10,0, то с наддувом степень сжатия, как правило, не превышает 8,5. Дело в том, что при увеличении давления смеси в начале сжатия (что и дает наддув) на величину степени повышения давления в компрессоре = Рк/Ро , где Рк - давление за компрессором, пропорционально увеличивается и давление в конце сжатия. Если его не уменьшить увеличением объема камеры сгорания (т.е. уменьшением геометрической степени сжатия , то в конце сжатия давление будет больше на величину Это равносильно тому, что двигатель будет иметь степень сжатия , что при даст увеличение на 1-1,5 единицы. Такой двигатель не сможет надежно работать из-за детонации на основных рабочих режимах. Наддув, таким образом, дает увеличение мощности за счет увеличения количества топливо-воздушной смеси, поступившей в цилиндр на такте впуска при сохранении давления в цилиндре в конце сжатия приблизительно на прежнем уровне.
Поскольку количество топливовоздушной смеси увеличивается при сохранении рабочего объема, то увеличивается и количество выделившегося при сгорании тепла. Это приводит к необходимости усиливать детали двигателя, т.к. возрастает температура и давление в цилиндрах. В первую очередь увеличивают толщину стенок поршня и, особенно, его днища, изменяют головку блока цилиндров, фазы газораспределения, применяют клапаны из более жаропрочных материалов, а подшипники коленчатого вала увеличенной ширины и диаметра. Чем выше давление наддува, тем больше изменений требует конструкция. Применяются радиатор системы охлаждения увеличенного объема и площади, а также масляное охлаждение поршней, для чего приходится ставить масляный насос повышенной производительности и радиатор в системе смазки.
Очень высокая частота вращения ротора и теплонапряженность турбокомпрессора приводят к тому, что он становится "слабым" элементом двигателя. Именно при турбонаддуве приходится применять специальные сорта масел, обеспечивающие эффективную смазку подшипников ротора и их работу в тяжелых условиях. И если в случае неисправности системы смазки или некачественного масла у обычных двигателей в первую очередь выходят из строя, как правило, шатунные подшипники, то в двигателях с наддувом - подшипники ротора турбокомпрессора. Кстати, следует отметить, что разрушение подшипников ротора практически сразу приводит к потере герметичности его масляных уплотнений. А это весьма опасно, т.к. из турбокомпрессора масло под давлением может попасть во впускной трубопровод. Если масла окажется много, то в одном из цилиндров может произойти гидроудар, в результате которого разрушается шатун со всеми вытекающими отсюда последствиями.
