Чаще всего люди задавались вопросом, как можно прибавить мощность и крутящий момент двигателю. Объем цилиндров и соответственно подаваемой в них топливо — воздушной смеси напрямую объединено с мощностью двигателя. Чем большее количество топлива будет сгорать в цилиндрах, тем большую мощность будет развивать ваш автомобиль.
Самым простым путем к возрастанию мощности двигателя является расширение его рабочего объема, но тогда это приведет к приросту в его размерах и массе механизма. При приросте оборотов коленчатого вала можно достигнуть повышения объема подаваемой рабочей смеси, но одновременно с этим возникают проблемы, с увеличением механической нагрузки на детали двигателя и роста сил инерции, что в последствие может привести к уменьшению ресурса мотора. Самым результативным способом в этой ситуации становиться наддув.
Если представить такт впуска двигателя внутреннего сгорания то можно увидеть что: двигатель в это время работает практически как насос, да еще и непродуктивно, воздух должен пройти через воздушный фильтр, потом по изгибам впускных каналов, а если в бензиновых двигателя, то еще и заслонку. Вследствие чего понижается объем топливо – воздушней смеси попадаемой в цилиндр. Что необходимо сделать, что повысить его? Необходимо поднять давление пред впускным клапаном, в результате чего в цилиндре сможет поместиться больше воздуха. Благодаря наддуву цилиндр наполняется большим количеством свежего заряда, что приводит к увеличению объема сжигаемого в цилиндрах топлива, чем и достигать высшую агрегатную мощность.
Виды наддува
В ДВС возможно применять три вида наддува:
- механического (компрессор запускается при помощи ремня идущего от двигателя);
- резонансного (во впускных клапанах эксплуатируется кинетическая энергия объема воздуха, без нагнетателя)
- газотрубного (благодаря потоку отработанных газов приводиться в движение турбина).
У всех выше сказанных способов присутствуют как недостатки, так и преимущества устанавливаемые сферу применения.
Резонансный наддув
Как уже было сказано ранее, чтобы улучшить наполняемость цилиндра необходимо повысить давление перед впускным клапаном. Вовсе не обходимо, чтобы давление постоянно было повышенно, нужно чтобы оно поднималось лишь в момент закрытия клапана и дополнило цилиндр добавочной порцией воздуха. Волна вжатия вполне подойдет для кратковременного увеличения давления в цилиндрах. Необходимо рассчитать длину трубопровода, для того чтобы волна пару раз отразилась от ее концов, а затем пришла к клапану в нужное время. Данная теория довольно проста, но воплотить ее в жизнь трудновато. Из-за того что клапан при различных оборотах коленчатого вала открывается на разное время, для того чтобы достичь нужного эффекта понадобятся примерной длины впускные трубопроводы.
При высоких оборотах двигателя лучше будет работать короткий впускной коллектор, а при низких оборотах длинный. Достижения перемены длины впускного клапана можно достичь: подключившись к резонансной камере или перехода на желательный впускной клапан. Последний вариант еще называют динамическим наддувом. Ускорить течение впускаемого столба воздуха может как динамический, так и резонансный наддув.
Создаваемые эффекты расположенный в диапазоне от пяти до двадцати миллибар. При воздействие турбонаддува или механического надува мы получаем значения в диапазоне от 750-и до 1200-т миллибар. Также стоит не забывать про инерционный наддув, в котором скоростной напор потока создает избыточное давление перед клапанном. В результате получаем небольшую прибавку в скорости, на скорости от 140-а километров в час. Чаще всего устанавливают на мотоциклы.
Механический надув
При помощи механического нагнетателя значительно увеличиваем мощность двигателя. При малейших оборотах компрессор от коленчатого вала наполняет цилиндры воздухом, чем непосредственно повышается давление наддува строго пропорциональное оборотам мотора. Но вследствие того что на них расходуется доля мощности вырабатываемой агрегатом, будет понижаться КПД ДВС. Такие системы занимают больше места, нуждаются в специальном приводе, а также издают излишние шумы.
Существуют две разновидности механических нагнетателей:
- объемный;
- центробежный.
Компрессор Lysholm и нагнетатель Roots являются образцовыми представителями объемных нагнетателей.
По своей конструкции такой нагнетатель имеет сходство с шестеренчатым насосом. В нутрии овального корпуса, которого в противоположные стороны вращается два ротора. Благодаря шестерням оси ротора связываются между собой. Характерной чертой такого ротора является то, что воздух будет сжиматься не в нагнетателе, а в турбонадуве, поступая в площадь между корпусом и риторами. Ограниченное значение наддува является основным недостатком данного нагнетателя.
Какими бы безупречными небыли детали, воздух все-таки просачивается назад, при достижение определенного давления, чем снижает КПД системы. Как же с этим можно бороться? Способов довольно мало:
- увеличение скорости вращения ротора;
- сделать нагнетатель 2-х или 3-х ступенчатым.
Такими способами мы можем добиться повышения итогового значения, но у всех многоступенчатых конструкций есть один минус, они лишены компактности.
Также минусом считается прерывистое нагнетание воздуха. В новейших конструкциях установлены трех — зубчатые роторы, имеющие спиральную форму, а выпускные и впускные окна треугольной формы. Вследствие установки таких ухищрений практически получилось избавиться от прерывистого эффекта. Долговечная конструкция с небольшой скоростью вращения роторов и низкими шумами привели к щедрому оснащению такой продукции такими все известными брендами: Daimler Chrysler, General Motors и Ford.
Объемные нагнетатели довольно результативны уже на малых и средних оборотах, что лучше всего влияет на динамику. Проблема состоит в том, что такие системы требуют очень тщательной работы при их производстве и установке, а значит их цена, довольно велика.
Вследствие точно вываренных зазоров, захватывающейся воздух сжимался внутри системы без малейших потерь. До того же винты работали практически бесшумно, а также были очень компактны но из-за сложности при изготовление, их цена была очень велика. Но, не смотря не это их, устанавливают такие компании как Kleemann и AMG.
Своей конструкцией центробежный нагнетатель напоминает турбонаддув. Как и в турбонаддуве здесь компрессорное колесо также создает чрезмерное давление во впускном коллекторе. Благодаря центробежной силе, радиальные лопасти наполняют воздухом окружной тоннель. Единственным отличием от турбонаддува является привод нагнетателя. Но также похожим остается заметный инерционный порок.
Коротко говоря, оно должно вращаться в раз десять превышать обороты двигателя, для того чтобы заполнить цилиндры необходимым объемом воздушного заряда. Являются не такими капризными при обслуживание, да и более долговечное, чем у их газодинамических собратья, из-за их способности работать при более экстремальных температурах. Низкая цена и неприхотливость конструкции наддали им популярности среди любителей тюнинга. Наиболее эффективными такие нагнетатели будут при высоких оборотах.
Рассмотрев схемы механических нагнетателей, они выявились самыми простыми. При максимальных нагрузках дроссельная всегда открыта, а в перепускном турбонаддуве закрыта, в результате чего весь воздух будет направляться в двигатель. В средних нагрузках заслонка трубопровода открывается, а дроссельная закрывается, лишний воздух поступает к входу нагнетателя. Как в газотурбинных, так и в механических непременной составляемой является охладитель наддувочного воздуха.
Сжимающийся в нагнетателе или компрессоре воздух подогревается и при этом его объем уменьшается. В результате получается, что если бы не нагревание, то объема воздуха по массе, размещалось бы по более. Интеркулер отвечает за охлаждение сжатого воздуха перед его попаданием в цилиндры двигателя. Формой он напоминает обыкновенный радиатор, который охлаждается с помощью охлаждающей жидкости или набегающего воздуха. При понижение температуры наддувочного воздуха на 10 градусов, его объем возрастет на 3-и процента. И вследствие этого мощность двигателя также увеличивается, примерно настолько же процентов.
Газотрубный наддув
Установление турбокомпрессоров, наверное, наиболее, распространенное на современных автомобилях. Он почти идентичен центробежному компрессору. Единственным и, наверное, самым важным различием механического нагнетателя от турбокомпрессора, является иная схема привода. Которая и предопределяет характеристику и область применения одних или других конструкций.
На одном валу с крыльчаткой – турбиной расположена крыльчатка — нагнетатель. Крыльчатка – турбина вмонтирована в выпускной коллектор двигателя и при помощи отработавших газов приводится в движения, с частотой вращения превышающей двести тысяч оборотов в минуту. Прямой связности между коленвалом и ней нет. Управление воздухом, подаваемым во впускной коллектор, происходи за счет отрабатываемых газов.
Достоинствами турбонаддува считают: экономичность мотора и увеличение КПД. В отличие от механических приводов, турбонаддув утилизирует энергию отработавших газов, чем и увеличивает КПД, при этом нужно не путать общую и удельную экономичность двигателя. Конечно, при работе двигателя с установленным турбонаддувом требуется больший объем топлива, чем при работе двигателя без него.
Как уже было выше сказано, цилиндры наполняют большим количеством воздух, для того чтобы можно было сжигать в них больше топлива. Доля топлива приходящая на единицу мощности в двигателях оснащенных ТК меньше, чем у двигателей без установленного наддува. При небольших габаритах и массе турбонаддува достигают большей мощности, чем при применение атмосферных двигателей. До того же турбонаддув показывает лучшее экологические показатели.
Дизель не запрещается надувать до его максимальных механических нагрузок в его механизме. До того же увеличенная степень сжатия и неимение дроссельного воздуха гарантируют меньшую температуру и большее давление отработавших газов чем у бензиновых двигателях. Именно то, что нужно для использования турбокомпрессора. Турбокомпрессор более прост в изготовление и тем самым окупает присущие в нем недостатки.
При невысоких оборотах двигателя, объем отработавших газов невелик, и эффективность работы компрессора также будет невысокой. Наличие турбоямы – замедленного отклика при резком надавливание на педаль газа объясняется очень просто – в этой ситуации двигателю требуется набрать оборотов, вследствие чего будет увеличиваться давление выхлопных газов и раскручиваться турбина, а также и крыльчатка нагнетателя и только тогда пойдет воздух. В течение этого периода двигатель как бы будет немного думать, а уж только потом подхватит обороты.
Избавляются от недостатков конструкции разными способами. Снижают массу вращающихся деталей и компрессора. Ротор турбокомпрессоров нашего времени очень мал и с легкостью помещается на ладони. Снижение массы добиваются не только конструкцией ротора, а и подбором материалов при его изготовление. Основной сложностью при подборе материалов является высокая температура выхлопных газов. Металлокерамический ротор на 25 процентов легче, чем роторы выплавленный из жаростойких сплавов, да и имеет отличительную черту в меньшем моменте инерции.
Долговечность всего агрегата до последнего времени ограничивалась сроком службы установленных в нем подшипников. Собственно это были вкладыши схожие на вкладыши коленчатого вала, смазанные маслом при давление. Изнашивание таких подшипников конечно велико, но их шарики не могли долго выдерживать огромной частоты вращения при высоких температурах. Выходом в этой ситуации стало разработка таких же подшипников только уже с керамическими шариками. Но еще большего удивления наддал постоянный запас пластичной смазки, из-за которого теперь подшипники не нуждались в канале от масляной системы двигателя.
При избавление недостатков турбокомпрессора, возможно, не только уменьшить инерционность ротора, но и применить дополнительные, а зачастую и очень сложные схемы управляющие давлением наддува. Главным заданием было повышение давления при низких оборотах и его уменьшения при высоких. Полное разрешению таких проблем возможно при использование турбины с изменяемой геометрией, к примеру с поворотными лопастями, параметры которых меняются в обширных пределах.
Основной принцип действия турбокомпрессора VNT, состоит из оптимизации направляемого на крыльчатку турбины потока отработавших газов. При низком количестве отработавших газов при малых оборотах двигателя турбокомпрессор будет направлять весь их поток к колесу турбина, вследствие чего увеличиться мощность и давление наддува. При высоких оборотах и высоком уровне газового потока подвижные лопасти находятся в открытом положение, чем увеличивают площадь отвода и сечения выхлопных газов от крыльчатки и при этом поддерживают необходимое давление в наддуве, а также защищают себя от избытка оборотов или перенаддува.