Статьи по теме "Впуск"

Турбокомпрессор

Турбокомпрессор (turbocharger) обеспечивает повышение давления во впускной системе за счет использования энергии отработавших газов. В результате его работы увеличивается масса воздуха в камерах сгорания. Турбокомпрессор является более эффективным устройством наддува в сравнении с механическим нагнетателем, т.к. не использует мощность двигателя для привода.

Но использование турбокомпрессора все же приводит к определенным потерям мощности. Находясь в выпускном тракте, турбокомпрессор создает препятствие для движения отработавших газов из цилиндров. Создаваемое противодавление заставляет двигатель выполнять большую работы по очистке цилиндров от продуктов сгорания, соответственно тратить на это мощность. Но в сравнении с приростом мощности от применения турбокомпрессора на 30-40%, данные потери незначительны.

Основная проблема применения турбокомпрессора заключается в отставании изменения выходной мощности в ответ на изменение давления отработавших газов, т.н. турбозадержка или турбояма(turbolag). Основными причинами турбоямы являются инерционность, силы трения и нагрузки турбокомпрессора.

Схема турбокомпрессора (турбонагнетателя)

Турбокомпрессор состоит из трех основных элементов: турбины, центробежного компрессора и центрального корпуса. Турбина преобразует кинетическую энергию отработавших газов во вращательное движение компрессора. Она объединяет турбинное колесо, помещенное в корпус специальной формы – улитку.

Отработавшие газы поступают в корпус, двигаются по его каналу и направляются на лопатки турбинного колеса. Колесо раскручивается до высокой скорости (до 250000 об/мин). Колесо приварено к валу, который передает вращение на колесо компрессора. Проходя через лопасти турбинного колеса, отработавшие газы покидают турбину через центральное отверстие и отводятся в выпускную систему.

Турбина работает в условиях высокой температуры, поэтому ее элементы изготавливаются из жаропрочных материалов: турбинное колесо - из железоникелевого сплава, корпус – из стали.

Производительность турбокомпрессора во многом определяется размером и формой турбины. В общем виде, чем больше турбина, тем выше производительность компрессора. Большой турбокомпрессор воспринимает большее давление отработавших газов и соответственно обеспечивает больший прирост мощности. Но при низких оборотах двигателя в нем наиболее остро наблюдается турбозадержка. Маленький турбокомпрессор раскручивается до номинальной скорости значительно быстрее, но имеет меньшую производительность.

Для регулирования давления наддува в корпусе турбины устанавливается перепускной клапан (waistgate). Клапан имеет пневматический привод и регулируется системой управления двигателем.

Центральный корпус служит для размещения вала, позволяя ему вращаться с максимальной скоростью и минимальным трением. Вал вращается в одном или двух подшипниках. В качестве подшипников используются различные конструкции подшипников скольжения, реже – шарикоподшипники.

Смазка подшипников и вала производится системой смазки двигателя. Масло проходит через множество каналов между корпусом и подшипником, а также между подшипником и валом. Масло не только смазывает, но и охлаждает нагретые детали. В турбированных двигателях с искровым зажиганием центральный корпус включен в систему охлаждения двигателя, чем достигается лучшее охлаждение.

Центробежный компрессор непосредственно создает дополнительное давление во впускной системе. Конструкция его аналогична соответствующему механическому нагнетателю и включает корпус с компрессорным колесом. Движение воздуха в компрессоре осуществляется от центра колеса к периферии корпуса. Диффузор преобразует кинетическую энергию воздуха в давление за счет резкого снижения скорости потока. Сжатый воздух поступает через впускной коллектор в двигатель. Компрессорное колесо и корпус компрессора изготавливаются из алюминия.

Для снижения последствий турбозадержки, повышения производительности конструкция турбокомпрессора постоянно совершенствуется. Наиболее востребованными техническими решениями являются:

  • снижение массы турбины за счет применения более легких и прочных материалов (керамика и др.);
  • применение новых конструкций подшипников, обеспечивающих снижение потерь на трение;
  • раздельный турбокомпрессор (twin-scroll);
  • турбина с изменяемой геометрией (VNT-турбина).

Раздельный турбокомпрессор имеет два входа для отработавших газов и два сопла, рассчитанных на каждую пару цилиндров. Одно сопло предназначено для быстрого реагирования. Другое сопло обеспечивает максимальную производительность. Помимо высокой производительности конструкция турбокомпрессора с двойной улиткой разделяет выпускные каналы, предотвращая их перекрытие при выпуске отработавших газов.

Схема турбины с изменяемой геометрией (VNT-турбины)

Турбина с изменяемой геометрией(другое наименование – турбина с переменным соплом) широко используется в дизельных двигателях, например в двигателе TDI от Volkswagen. В турбокомпрессоре установлено девять подвижных лопастей для регулирования потока отработавших газов к турбине. Угол наклона лопастей регулируется приводом, который блокирует или увеличивает поток отработавших газов. Изменение положения лопастей позволяет согласовать скорость отработавших газов и давление нагнетаемого воздуха с оборотами двигателя.

В ряде конструкций турбонаддува используется несколько турбокомпрессоров: два (twin-turbo), три (triple-turbo) и даже четыре (quad-turbo). Турбокомпрессоры устанавливаются последовательно, при этом один работает при низких оборотах двигателя, другой – при высоких оборотах. На V-образных двигателях практикуется параллельная схема установки турбокомпрессоров (на каждый ряд по компрессору). Резон данной схемы – два небольших турбокомпрессора эффективнее одного большого.

Интеркулер

В двигателях, оборудованных турбонаддувом, всасываемый воздух сжимается с увеличением плотности. Вместе с тем, термодинамический эффект от сжатия воздуха приводит к увеличению температуры до 200°С. Этому способствует и сам турбокомпрессор, нагреваемый отработавшими газами. При нагреве плотность воздуха снижается и соответственно снижается давление наддува. В бензиновых двигателях, кроме этого, горячий воздух увеличивает вероятность наступления детонации, а в отработавших газах в большом количестве образуются оксиды азота.

Для охлаждения, поступающего от турбокомпрессора воздуха, применяется интеркулер (intercooler, дословно – промежуточный охладитель, другое название – охладитель наддувочного воздуха). Интеркулер обеспечивает охлаждение воздуха до 50-60°С, чем достигается лучшее наполнение цилиндров и соответственно увеличивается мощность двигателя.

Как показывает практика, снижение температуры наддувочного воздуха на 10°С дает около 3% прироста мощности. При этом горение топливно-воздушной смеси становится более эффективным, повышается топливная экономичность и снижение вредных выбросов. В целом эффект от использования интеркулера составляет порядка 20% повышения мощности двигателя.

Но не все так гладко с применением интеркулера. Охлаждая наддувочный воздух, интеркулер создает препятствие для этого воздуха, а значит, снижается давление наддува. Поэтому интеркулер в системе турбонаддува это всегда компромисс эффекта и потерь для достижения этого эффекта.

По принципу охлаждения наддувочного воздуха различают два типа охладителей: воздушного охлаждения и водяного охлаждения. Благодаря своей простоте наибольшее распространение получили промежуточные охладители воздушного типа. Интеркулер устанавливается между компрессором и впускным коллектором. Конструктивно охладитель представляет собой теплообменник, состоящий из системы труб и находящихся между ними пластин.

Трубы изменяют свое направление по длине, чем достигается увеличение общей длины теплообменника и лучшее охлаждение воздуха. С другой стороны каждый изгиб трубы представляет собой препятствие для воздуха и приводи к снижению давления наддува. Пластины увеличивают площадь поверхности интеркулера и обеспечивают лучшую теплоотдачу. В качестве материала для труб и пластин используется алюминий, обладающей высокой теплопроводностью. Реже применяется медь.

Интеркулер воздушного типа устанавливается в свободном месте в подкапотном пространстве:

  • в центральной части за передним бампером (в бампере выполняется соответствующий вырез);
  • над двигателем под капотом (в капоте выполняется воздухозаборник специальной формы);
  • в боковой части передних крыльев слева и справа (в крыльях выполняются воздухозаборники специальной формы).

Создание интеркулера для нужд конкретного двигателя заключается в определении множества конструктивных параметров: фронтальная площадь теплообменника, внутреннее проходное сечение, внутренний объем, толщина теплообменника, направление потока в теплообменнике и ряд других.

Интеркулер водяного типа имеет ряд неоспоримых преимуществ, в сравнении с воздушным собратом. Благодаря своей компактности водяной охладитель может быть установлен в любом свободном месте в подкапотном пространстве. Вода (охлаждающая жидкость) отводит тепло более интенсивно, поэтому эффективность водяного интеркулера значительно выше. Правда, при нагреве жидкости нужно больше времени для остывания.

За все преимущества приходится расплачиваться достаточно сложной конструкцией интеркулера, которая помимо водяного теплообменника включает воздушный радиатор, водяной насос, систему патрубков, электронный блок управления. Вместе с системой охлаждения двигателя они образуют двухконтурную систему охлаждения.

По причине сложности конструкции система охлаждения наддувочного воздуха водяного типа применяется достаточно редко, в случаях, когда воздушный охладитель применить невозможно. Например, водяной охладитель наддувочного воздуха применяется на некоторых двигателях TSI.

Турбонаддув двигателя TDI

Двигатель TDI (Turbocharged Direct Injection, дословно - турбонагнетатель и непосредственный впрыск) является современным дизельным двигателем с турбонаддувом. Двигатель разработан концерном Volkswagen, а название TDI является зарегистрированным товарным знаком.

Турбоанддув двигателя TDI обеспечивает высокую динамику автомобиля, экономичность и экологическую безопасность. Для создания оптимального давления наддува в широком диапазоне скоростных режимов в конструкции двигателя используется турбокомпрессор с изменяемой геометрией турбины. Турбокомпрессор имеет два общепринятых названия, которые используются разными производителями:

  • VGTVariable Geometry Turbocharger (дословно – турбокомпрессор с изменяемой геометрией) применяет BorgWarner;
  • VNTVariable Nozzle Turbine (дословно – турбина с переменным соплом) применяет Garrett.

Схема турбонаддува двигателя TDI

В отличие от обычного турбокомпрессора турбонагнетатель с изменяемой геометрией может регулировать направление и величину потока отработавших газов, чем достигается оптимальная частота вращения турбины и соответственно производительность компрессора.

VNT-турбина объединяет направляющие лопатки, механизм управления и вакуумный привод.

Схема турбины с изменяемой геометрией (VNT-турбины)

Направляющие лопатки предназначены для изменения скорости и направления потока отработавших газов за счет изменения величины сечения канала. Они поворачиваются на определенный угол вокруг свой оси.

Поворот лопаток производится с помощью механизма управления. Механизм состоит из кольца и рычага. Срабатывание механизма управления обеспечивает вакуумный привод, воздействующий через тягу на рычаг управления. Работа вакуумного привода регулируется клапаном ограничения давления наддува, подключенным к системе управления двигателем. Клапан ограничения давления наддува срабатывает в зависимости от величины давления наддува, измеряемой двумя датчиками: датчиком давления наддува и датчиком температуры воздуха на впуске.

Принцип работы наддува двигателя TDI

При работе системы наддува двигателя TDI обеспечивается оптимальное давление воздуха в широком диапазоне частоты вращения двигателя. Это достигается за счет регулирования энергии потока отработавших газов.

При низких оборотах двигателя энергия отработавших газов невелика. Для эффективного ее использования направляющие лопатки находятся в закрытом положении, при котором площадь канала отработавших газов наименьшая. За счет малой площади сечения поток отработавших газов усиливается и заставляет турбину вращаться быстрее. Соответственно быстрее вращается компрессорное колесо, а производительность турбокомпрессора увеличивается.

При резком увеличении оборотов двигателя, вследствие инерционности системы, энергии отработавших газов становиться недостаточно. Поэтому для прохождения «турбоямы» лопатки поворачиваются с некоторой задержкой, чем достигается оптимальное давление наддува.

На высоких оборотах двигателя энергия отработавших газов максимальная. Для предотвращения избыточного давления наддува лопатки поворачиваются на максимальный угол, обеспечивая наибольшую площадь поперечного сечения канала.