В последнее время большинство ведущих фирм при
выпуске новой модели двигателей предусматривает создание их модификаций с наддувом. Существовавшие ранее проблемы по герметизации карбюраторной системы
питания и дозированию топлива при переходе на системы с распределенным впрыскиванием бензина в основном отпали. Поэтому сейчас выпускаются двигателя с
наддувом только в сочетании с системой впрыскивания топлива. Однако остались проблемы, присущие всем двигателям с наддувом: необходимость охлаждения
наддувочного воздуха, снижение степени сжатия для предотвращения аномальных процессов сгорания и соответствующее
ухудшение экономических показателей на частичных нагрузках, обеспечение надежности двигателя при увеличении нагрузок на несущие детали двигателя при наддуве, повышение
потерь с охлаждающей жидкостью, увеличение выброса
оксидов азота.
Нагнетатели с механическим приводом
Существуют три основных типа систем
наддува: турбонаддув, нагнетатель с механическим приводом и система с волновым обменником давления типа
компрекс. Ротор этого компрессора имеет аксиально расположенные камеры, или ячейки. При вращении ротора в ячейку поступает свежий воздух, после чего она подходит
к отверстию в корпусе, через которое в нее попадают горячие отработавшие газы двигателя. При их взаимодействии с холодным воздухом образуется волна давления,
фронт которой, движущийся со скоростью звука, вытесняет воздух в отверстие впускного трубопровода, к которому ячейка за это время успевает подойти. Поскольку
ротор продолжает вращаться, отработавшие газы в это отверстие попасть не успевают, а выходят в следующее по ходу ротора. При этом в ячейке образуется волна
разряжения, которая всасывает следующую порцию свежего воздуха и т. д.
Большинство модификации форсированных серийных бензиновых двигателей выполняются с турбонаддувом.
При этом не требуется изменять конструкцию базового двигателя для привода нагнетателя. Использование энергии отработавших газов не вызывает
увеличения внутренних потерь на привод нагнетателя.
Основным недостатком турбонаддува является
инерционность его ротора. Это сказывается на динамике автомобиля при разгоне, особенно у бензиновых двигателей, работающих при минимальной частоте
вращения холостого хода на режиме глубокого дросселирования и, следовательно, ротор нагнетателя за доли секунды
должен разогнаться от минимальной частоты вращения
до 120 000-150 000 об/мин. Максимально допустимая
частота вращения ротора турбонаддува доходит до 200 000 об/мин.
При резком закрытии дроссельной заслонки происходит увеличение перепада давления, что приводит- к повышению частоты вращения ротора и компрессор
может оказаться в помпажном режиме работы. Одним из
способов устранения этих недостатков является установка перепускного клапана между воздушными каналами до и посте компрессора.
Существуют две схемы расположения элементов впускной системы с установкой
дроссельной заслонки до и после турбонагнетателя. При
положении дроссельной заслонки перед турбонагнетателем частота вращения его ротора выше, поэтому при
ее резком открытии время выхода на рабочие режимы
сокращается и, соответственно, улучшается динамика
разгона автомобиля. С целью уменьшения момента
инерции ротора он иногда выполняется из титана вместо никелевого сплава, что позволяет облегчить ето примерно на 40%.
Регулирование давления наддува может
производиться не только перепуском воздуха, но и перепуском отработавших газов, в обход турбины через специальный клапан, управляемый электронным блоком по
сигналу от датчика детонации.
КПД компрессора находится в пределах 0,7-0,74, а
турбины 0,7 Однако в отдельных случаях за счет оптимизации геометрии колес компрессора КПД удастся увеличить до 0,82-0,83
Важной проблемой при совершенствовании турбокомпрессора является разработка новых типов подшипников, которые можно классифицировать следующим
образом:
—подшипники скольжения с плавающими не вращающимися втулками;
—подшипники скольжения с плавающими вращающимися втулками;
—подшипники качения;
—комбинированные узел
—газовые подшипники.
Подшипники турбонаддувов двух первых групп относительно просты по конструкции, но у них повышенные потери на
трение. Применение подшипников качения с фитильной смазкой уменьшает угар масла, упрощается узел уплотнения, снижаются потери на трение.
Газовые подшипники имеют высокий механический КПД, но требуют источника сжатого воздуха.Для улучшения динамики автомобиля используются
комбинированные системы с инерционным наддувом и
турбонаддувом.
Отдельную группу представляют системы с механическим приводом нагнетателя в сочетании с приводом через вариатор,
изменяющий передаточное число, с использованием
электромагнитных и других типов муфт для отключения
нагнетателя. Механический привод используется для нагнетателей следующих типов:
—роторные нагнетатели типа Рутс двух или трехлопастные;
—роторно-поршневой нагнетатель с внутренней осью;
—лопаточный (шиберный) нагнетатель;
—роторный нагнетатель с винтовыми лопастями;
—центробежный нагнетатель.
Роторные нагнетатели типа Рутс могут обеспечивать
достаточно высокое давление (до 3 бар и выше). Поэтому
они применяются в основном для двухтактных двигателей, чтобы обеспечить высокую эффективность продувки. Роторно-поршневые нагнетатели с внутренней осью
имеют достаточно высокий КПД (от 0,63 до 0,69). Разработанная фирмой Pierburg серия нагнетателей имеет
один диаметр наружного ротора (100 мм) и роторы различной длины (от 90 до 200 мм) при относительно невысокой массе (от 5,7 до 10,7 кг). При номинальном числе
оборотов ротора (12 000 об /мин) они, соответственно,
обеспечивают производительность от 400 до 1050 кг/ч.
Номинальная мощность двигателей с этими нагнетателями находится в пределах от 104 до 272 кВт.
Центробежные нагнетатели с механическим приводом.
Чтобы обеспечить высокую частоту вращения крыльчатки компрессора (до 80 000 об /мин),
передаточное число редуктора для их привода приходится
увеличивать до 1:15. Фирмой ZF для этого используется
многоступенчатая планетарная передача и электромагнитная муфта сцепления.
Лопаточные нагнетатели применяются в системах с
невысоким давлением, например для подачи дополнительного воздуха в выпускную систему двигателя с окислительным нейтрализатором или в двухтактных
двигателях с кривошипно-камерной продувкой. При повышении
давления воздуха увеличивается давление на лопатки, что
приводит к их поломке.
