Инерционный наддув что это

Наддув — принудительное повышение давления воздуха выше текущего уровня атмосферного в системе впуска двигателя внутреннего сгорания, приводящее к увеличению плотности и массы воздуха в камере сгорания перед тактом рабочего хода, что, согласно правилу стехиометрической горючей смеси для конкретного типа мотора, позволяет сжечь больше топлива, а значит увеличить крутящий момент (и мощность, соответственно) при сравнимой частоте вращения. В широком смысле, повышение удельной/литровой мощности ДВС при текущем уровне атмосферного давления и есть основная цель наддува. Буквальным следствием этой технической особенности стало одно из ранних применений наддува для компенсации высотного падения мощности в авиационных маршевых ДВС.

Также, наддув есть любого рода создание повышенного давления в принципе. Существуют понятия наддува кабин высотных и космических летательных аппаратов для создания подходящих для людей условий, наддува баков гидросистем для предотвращения вспенивания рабочей жидкости и т. д.

Возможен агрегатный наддув и безагрегатный наддув.

Содержание

Агрегатный наддув [ править | править код ]

Под агрегатным подразумевается наддув, создание которого обеспечивается неким агрегатом. Фактически, таковых агрегатов в технике всего три — турбонагнетатель, приводной нагнетатель, нагнетатель с электрическим приводом. Первый работает от энергии выхлопных газов и состоит из газовой турбины и компрессора. Второй работает от непосредственного привода с коленвала двигателя и состоит из механической передачи и компрессора. Третий работает от электропривода и состоит из высокооборотного электромотора и компрессора. Вообще, компрессор входит в состав любого агрегата наддува, вследствие чего, такие термины как турбокомпрессор, приводной компрессор и компрессор с электрическим приводом являются синонимами вышеупомянутым трём и правомерны к использованию. Конструкция компрессора может быть универсальна для любого агрегата, хотя обычно в турбонагнетателе и нагнетателе с электрическим приводом используются лопастные центробежные компрессоры, а в приводном нагнетателе — роторные компрессоры. Сам термин «агрегатный наддув» практически никогда не используется, и таковым в речевом обиходе применительно к
ДВС считается просто любой наддув, если иное не оговорено особо.

Особенность и преимущества агрегатного наддува (турбонаддува, в первую очередь) в том, что таковой позволяет получать сверхвысокие давления на впуске в ДВС — вплоть до 5 Бар — что даёт в итоге примерно кратное давлению наддува повышение удельной мощности на отдельных режимах работы. Всережимного увеличения мощности посредством одного типа агрегата наддува достичь сложно в силу разных причин (либо для этого требуется сильное механическое усложнение конструкции нагнетателя) поэтому часто на ДВС применяются комбинированные системы, состоящие, например, из турбонагнетателя и приводного нагнетателя, или турбонагнетателя и нагнетателя с электрическим приводом.

Также в авиации для компенсации высотного падения мощности маршевых поршневых двигателей на многомоторных самолётах были исторические попытки применения группового агрегатного наддува, обеспечивающего дополнительное снабжение маршевых двигателей воздухом на больших высотах. Основой этой системы был отдельный мотор-компрессор, состоявший из одного двигателя, аналогичного маршевому, и объёмного компрессора, дополненный системой воздуховодов к каждому маршевому двигателю. Пример — тяжёлый бомбардировщик Пе-8.

Агрегатный наддув применяется как на четырёхтактных ДВС, так и на двухтактных ДВС, поршневых и роторно-поршневых, работающих практически по любому термодинамическому циклу (циклу Отто, циклу Дизеля, прочих). Однако к газотурбинным двигателям термин «агрегатного наддува» в русскоязычном инженерно-техническом лексиконе обычно не применяется, несмотря на обязательное наличие компрессора в составе таких двигателей. Важным следствием применения агрегатного наддува является снижение удельного расхода топлива (в граммах на л. с. за час).

Безагрегатный наддув [ править | править код ]

К безагрегатному наддуву относят:

• динамический (ранее называемый инерционным, резонансным, акустическим), при котором эффект достигается за счёт колебательных явлений во впускном и/или выпускном трубопроводах;
• скоростной, применяемый на поршневых авиационных двигателях на высотах больше расчётной и при скоростях более 500 км/ч;
• рефрижерационный, достигаемый испарением в поступающем воздухе топлива или какой-либо другой горючей жидкости с низкой температурой кипения и большой теплотой парообразования.

Всё большее распространение на транспортных двигателях внутреннего сгорания получает динамический наддув, который при несущественных изменениях в конструкции трубопроводов приводит к повышению коэффициента наполнения до η v = 0 , 92 − 0 , 96 <displaystyle eta _=0,92-0,96> в широком диапазоне изменения частоты вращения двигателя. Увеличение η v <displaystyle eta _> при наддуве позволяет форсировать дизель по энергетическим показателям в случае одновременного увеличения цикловой подачи топлива или улучшить экономические показатели при сохранении мощностных (при той же цикловой подаче топлива). Динамический наддув повышает долговечность деталей цилиндро-поршневой группы благодаря более низким тепловым режимам при работе на бедных смесях.

для настоящих автомобилистов

С уществует два способа повышения мощности двигателя. Первый — повышение объема камеры сгорания. Но в условиях постоянно ужесточающийся экологических требований к двигателям внутреннего сгорания, этот метод в настоящее время практически не используется. Второй метод повышения мощности сводится к принудительному увеличению количества горючей смеси, то есть к наддуву. Поэтому сейчас, наддув является основным средством повышения мощности в современных автомобилях. Вот о том, какими бывают процессы наддува в двигателе, мы и поговорим в этой статье.

Процессы наддува

Мощность двигателя пропорциональна массовому расходу воздуха, который, в свою очередь, пропорционален плотности воздуха. Рабочий объем и частота вращения коленчатого вала двигателя могут быть увеличены за счет пред­варительного сжатия воздуха перед поступле­нием его в цилиндры двигателя, т.е. путем так называемого наддува. Коэффициент наддува соответствует увеличению плотности нагнетаемого воздуха по сравнению с атмосферным давлением (в двигателях без наддува воздух поступает под атмосферным давлением).

С точки зрения термодинамики наилучшие результаты могли бы быть получены в процессе изотермического сжатия, однако это технически недостижимо. На практике оптимальным процессом является адиабатиче­ское сжатие; при этом увеличение плотности воздуха сопровождается потерями.

Коэффициент наддува в бензиновых двигателях ограничивается возникновением детонации, а в дизельных двигателях — максимально допустимым пиковым давлением в цилиндре. Поэтому двигатели с наддувом обычно имеют более низкие степени сжатия, чем двигатели без наддува той же мощности.

Динамический наддув

На процессы газообмена оказывает влияние не только установка фаз газораспределения, но и геометрия впускных и выпускных каналов. Движение поршня на такте всасывания при открытии впускного клапана создает волну всасывания, которая отражается от открытого конца впускного трубопровода и возвращается к впускному клапану в виде волны давления. Эти волны давления могут быть использованы Для увеличения массового расхода воздуха на впуске. Кроме геометрии впускного трубопро­вода интенсивность этого эффекта наддува, основанного на газодинамике, также зависит от величины оборотов двигателя.

Инерционный наддув

В системах инерционного наддува каждый цилиндр снабжен отдельным впускным каналом определенной длины, обычно соединяю­щимся с общей камерой. По этим впускным каналам волны давления могут распространяться независимо друг от друга (рис. «Принцип инерционного наддува» ). Длины отдельных впускных каналов адапти­рованы к установке фаз газораспределения таким образом, чтобы в желаемом диапазоне оборотов двигателя за счет волны давления, проходящей через открытый впускной клапан, достигалось увеличение массы заряда.

В то время как длина каналов должна быть адаптирована к диапазону оборотов двигателя, диаметры каналов должны быть согласованы с рабочим объемом цилиндра. В системе впуска, показанной на рисунке «Принцип изменения геометрии впускного трубопровода«, возможно переключение между двумя системами каналов различной длины. Переклю­чающий клапан или заслонка закрывается в нижнем диапазоне оборотов двигателя, и всасываемый воздух поступает в цилиндры через более длинные впускные трубопро­воды. При высоких оборотах переключаю­щий клапан открыт, и воздух поступает через короткий впускной трубопровод.

Наддув с использованием специально настроенных впускных каналов (резонансный наддув)

При определенных оборотах двигателя возникает резонанс колебаний газа во впускном трубопроводе, вызванных возвратно поступательным движением поршня, что создает дополнительный эффект наддува.

При таком варианте наддува короткие трубопроводы соединяют группы цилиндров двигателя с резонансными ресиверами с такими же интервалами, как промежутки между вспышками в цилиндрах (рис. «Принцип наддува с использованием специально настроенных впускных каналов» ).

Эти ресиверы сообщаются с атмосферой или общей камерой посредством специально отрегули­рованных трубок и резонаторов Гельмгольца. Длина и диаметр трубопроводов опреде­ляются диапазоном оборотов двигателя, в котором должен возникать эффект допол­нительного резонансного наддува (рис. «Повышение коэффициента наполнения цилиндра зарядом при помощи динамического наддува» ).

Впускные трубопроводы с изменяемой геометрией

Поскольку эффект динамического наддува зависит от режима работы (величины оборотов) двигателя, изменяемая геометрия впускного трубопровода позволяет получить практически идеальную кривую крутящего момента. Регулируемые системы могут быть реализованы посредством изменения длины впускных каналов за счет переключения между системами каналов различной длины или диаметра, попеременного перекрытия отдельных каналов в системах с несколькими наборами впускных каналов или пере­ключения между различными впускными объемами. Эти переключения могут осущест­вляться электрическими или электропневматическими клапанами или заслонками.

Механический наддув

В механических системах наддува привод нагнетателя осуществляется непосредственно от двигателя внутреннего сгорания (см. «Нагнетатели» ). При этом нагнетатель и двигатель внутреннего сгорания механически соединены друг с другом. Применяются механические объемные нагнетатели (компрессоры) различных конструкций (нагнетатели Roots, спиральные нагнетатели) и гидрокинетические компрессоры (например, радиальные компрессоры).

До настоящего времени коленчатый вал и вал нагнетателя соединяются с фиксиро­ванным передаточным отношением. Для привода нагнетателя могут использоваться механические или электромагнитные муфты. Давление наддува регулируется при помощи перепускного устройства с регулирующей заслонкой (регулятора давления наддува).

Преимущества механического наддува:

• Нагнетатель установлен на холодной стороне двигателя;
• Компоненты нагнетателя не оказывают влияния на работу системы выпуска отра­ботавших газов;
• Нагнетатель мгновенно реагирует на изменение нагрузки.

Недостатки механического наддува:

• Мощность, требуемая для привода нагнетателя, отбирается от полезной мощности двигателя, что вызывает повышение расхода топлива;
• Приемлемый уровень шума может быть достигнут только посредством специальных мер;
• Сравнительно большой объем и вес системы;
• Нагнетатель должен быть установлен на уровне приводного ремня

Турбонаддув с использованием отработавших газов

В системах турбонаддува с использованием отработавших газов некоторая часть энергии отработавших газов преобразуется в механи­ческую энергию, необходимую для привода нагнетателя при помощи турбины (турбонаг­нетателя отработавших газов). Таким образом, этот процесс использует некоторую часть энтальпии, которая на безнаддувных двигателях остается неиспользованной. Однако эти си­стемы вызывают увеличение противодавле­ния отработавших газов. Для сжатия воздуха в таких системах используются исключительно гидрокинетические компрессоры.

Рис. «Сравнение кривых мощности и крутящего момента двигателей без наддува и с турбонаддувом»

Турбонагнетатели отработавших газов обычно применяются для создания высокого давления наддува даже при низких частотах вращения коленчатого вала двигателя. Другими словами, турбина турбонагнетателя рассчитана на среднюю частоту вращения. При этом следует учитывать, что при высоких частотах вращения давление наддува может возрастать до уров­ней, которые вызовут чрезмерные нагрузки на двигатель. Поэтому турбина снабжается пере­пускным клапаном, который при определенной частоте вращения начинает пропускать часть потока отработавших газов мимо турбины. При этом энергия этих отработавших газов остается неиспользованной. Значительно более удовлет­ворительные результаты (т.е. высокое давление наддува в нижнем диапазоне оборотов и в то же время возможность избежать перегрузки в верхнем диапазоне) могут быть получены при использовании турбонагнетателя с изменяемой геометрией турбины (VTG). В этих системах за счет изменения положения направляющих ло­паток осуществляется регулирование сечения потока и угла атаки рабочих лопаток (и, таким образом, давления отработавших газов, посту­пающих на турбину) (см. «Турбо­нагнетатели»).

Преимущества турбонаддува с использованием отработавших газов:

• Значительное увеличение выходной мощ­ности на литр рабочего объема;
• Значительное снижение расхода топлива по сравнению с двигателями без наддува равной мощности;
• Снижение содержания токсичных продук­тов в отработавших газах;
• Сравнительно небольшой занимаемый объем;
• Может быть использован совместно с си­стемами рециркуляции отработавших га­зов низкого давления.

Недостатки турбонаддува с использованием отработавших газов:

• Установка турбокомпрессора в тракте с «горячими» отработавшими газами требует применения термостойких материалов;
• Повышенная тепловая инерция в системе выпуска отработавших газов;
• Без принятия дополнительных мер сравни­тельно низкий пусковой крутящий момент в случае установки на двигателях с малым рабочим объемом.

Специальные виды турбонаддува

В электрифицированных системах турбонаддува используется дополнительный электродвигатель, приводящий во вращение турбонагнетатель при отсутствии потока отработавших газов. Преиму­щество такой системы заключается в обеспече­нии турбонаддува в переходных режимах работы двигателя и при низких частотах вращения. Эти системы пока что не нашли применения в серий­ном производстве автомобилей ввиду их большой сложности и высокой потребляемой электриче­ской мощности. Применение электрифицирован­ных систем турбонаддува позволит значительно уменьшить занимаемый системой объем.

Еще один специальный вид турбонаддува — системы турбонаддува с использованием энер­гии волн сжатия, которые пока что не нашли применения в серийном производстве. Принцип действия основан на отражении волн сжатия во вращающемся секционном роторе (см. «Нагне­татели и турбонагнетатели»). Основным преи­муществом является очень высокое быстродей­ствие, обеспечивающее быстрое нарастание крутящего момента в переходных режимах. Од­нако применение таких систем связано с высо­кими затратами, а необходимость в отдельном приводе создает проблему нахождения соответ­ствующего свободного пространства.

Диаграмма объемного расхода

Картина зависимости работы нагнетателя от характеристик двигателя наглядно иллюстри­руется диаграммой «давление-объемный расход» (рис. «Графики зависимости степени повышения давления в нагнетателе от объемного расхода для объемного нагнетателя с принудительным приводом и турбокомпрессора» ), на которой степень повы­шения давления в нагнетателе π_с соотносится с объемным расходом V.

Особенно иллюстративны графики для недросселированных четырехтактных двига­телей (дизельных), поскольку они содержат наклонные прямые линии (характеристики массового расхода двигателей), которые отра­жают возрастание объемного расхода воздуха по мере того, как степень повышения давле­ния

р₁ — давление наружного воздуха

р₂ — давление наддува; возрастает при постоянной частоте вращения двигателя.

Диаграмма демонстрирует степень повы­шения давления при постоянных частотах вращения нагнетателя для нагнетателя с принудительным приводом и турбоком­прессора.

Только механические нагнетатели, у кото­рых производительность пропорциональна их частоте вращения, пригодны для двига­телей автомобилей. Это нагнетатели с при­нудительным приводом конструкции Roots. Турбокомпрессоры с механическим приво­дом непригодны.

Система рециркуляции отработавших газов

Система внешней рециркуляции отработавших газов (EGR) является эффективным средством снижения температуры в камере сгорания. Го­рячие отработавшие газы отводятся и охлажда­ются в охладителе системы EGR до температуры ниже 150 °С. Затем они смешиваются со све­жим воздухом и подаются в камеру сгорания. Уменьшение количества кислорода в свежей смеси и высокая теплоемкость рециркулирую­щих отработавших газов вследствие наличия в них составляющих Н₂O и СO₂ приводит к обра­зованию зоны горения, температура в которой, в зависимости от скорости рециркуляции от­работавших газов, снижена на несколько сотен градусов Цельсия. Благоприятными эффектами являются снижение содержания в выбросах ок­сидов азота NO_х, а также снижение тепловых потерь и температуры компонентов цилиндра. Основной целью является снижение содержа­ния в отработавших газах токсичных продуктов.

Проблема, которую необходимо решить, заключается в транспортировке отработав­ших газов к стороне впуска свежего воздуха. Системы рециркуляции отработавших газов обычно применяются на двигателях с тур­бонаддувом. При этом имеют место два раз­личных подхода (рис. «Система рециркуляции отработавших газов (система EGR)» ). В случае системы рециркуляции отработавших газов низкого давления отработавшие газы отбираются по­сле прохождения через турбину, охлаждаются и снова подаются в воздушный компрессор. В случае системы рециркуляции отработавших газов высокого давления, которая, в частно­сти, предотвращает загрязнение компрессора и воздействие на него высоких тепловых на­грузок, рециркуляция отработавших газов осуществляется через сторону высокого дав­ления. При этом между сторонами впуска и выпуска должен поддерживаться надлежащий перепад давления, иначе возникает ухудшение условий протекания цикла заряда. Иногда ис­пользуются также флаттерные клапаны, т.е. клапаны, воспринимающие пульсации давления и открывающиеся только в случае превышения определенного порога давления на стороне выпуска отработавших газов.

Применение системы EGR

Системы EGR низкого давления уже нашли применение на легковых и коммерческих автомобилях и продолжают совершенство­ваться. Их привлекательными особенностями являются меньший неблагоприятный перепад давления (разность давлений на выходе из турбины и на входе воздушного компрессора). Однако, во избежание загрязнения компрессора такие системы требуют установки впускного фильтра твердых частиц. Следует также отметить более высокие тепловые нагрузки, которым подвергается компрессор.

Когда работает поршень по тактам впуск-выпуск, то на моменте
впуска (открытия) клапана происходит сильное сдавливание, которое отражается на
впускном трубопроводе, в итоге происходит сильное сжатие и колебание. Именно
эти колебания и можно пустить на благое дело, чтобы цилиндр как можно больше
наполнялся воздухом, взято это из физики и относится к динамическим свойствам
воздуха. Собственно, это было началом для изобретения турбонаддува и вообще
наддува.

В случае двигателя одноточечного впрыска или же двигателя
карбюраторного типа, если вы желаете повысить забор воздуха, то лучше
использовать отдельные патрубки одинаковой длины, желательно не делать их
длинными.

Однако многоточечный впрыск работает совсем по-другому и
возможностей в этом случае гораздо больше. В отличие от предыдущей системы,
многоточечный делает впрыск топлива через форсунку практически перед самим
цилиндром, топливо при этом попадает на впускные клапана. Особенность в том,
что впускной трубопровод пропускает только воздух, который и обогащает
впрыснутое топливо.

Благодаря такой конструкции, есть возможность разнообразить
систему впускного трубопровода, потому что на трубопроводе топливо не остается
и это позволяет преобразовать его так, как наиболее удобно. Именно поэтому
многоточечные системы намного удобнее, распределение и обогащение топливной
смеси происходит без проблем и в нужном количестве.

Система инерционного
наддува

Для систем с многоточечным впрыском был придуман инерционный
наддув, который представляет собой несколько резонаторных патрубков (3)
соединенных вместе посредством сборной камеры(2). В данной системе сам наддув
происходит и зависит от диаметра резонаторных патрубков и от частоты вращения
коленвала.

На рисунке 1 отображена система инерционного наддува, здесь
под цифрой 1 обозначена дроссельная заслонка, (2) — это сборная камера, (3) —
резонаторный патрубок, (4) — цилиндр.

Что касается резонаторных патрубков, то длина и правильный
диаметр можно рассчитать по такой схеме. Необходимо чтобы при достижении края
патрубка, волна, которая отразится и через открытый впускной клапан пойдет
обратно, соответствовала необходимому объему в соответствии с вращением коленвала,
при этом произойдет максимальное наполнение цилиндра. Так вот, чтобы достичь
наиболее эффективного результата при высоких оборотах коленвала, нужно
использовать резонансные патрубки большего диаметра, но при этом покороче.

Интересная дилемма, как же можно сделать так, чтобы
динамический наддув был одинаково эффективен, в каком бы режиме ни работал
агрегат. После недолгих размышлений конструкторы создали впускной трубопровод,
который способен изменять геометрию самостоятельно в зависимости от того, в
каком режиме работает двигатель. Это делается посредством заслонок, которые
расположены по длине впускного коллектора, и на определенном месте такая
заслонка создаст преграду.

На рисунке 2 можно увидеть, как изменяется геометрия
впускного трубопровода при наддуве.

Отсюда видно, что когда коленный вал работает на малых
оборотах, то заслонка закрывается, из-за чего воздух идет по другому пути,
т.е. через более длинный резонирующий патрубок. Если обороты коленвала
высокие, в этом случае заслонка открывается, в итоге воздух проходит через
короткий и широкий патрубок. Благодаря такому разнообразию и возможности
автоматического перенаправления воздуха, двигатель может по максимум наполнять
цилиндры воздухом, что в свою очередь повышает эффективность крутящего момента.

Система резонансного
наддува

Когда поршень проходит точку от верха вниз на определенной
частоте коленвала в коллекторе происходят уже известные нам резонансные
колебания, соответственно, увеличивается давление и сам эффект наддува. Чтобы
был возможен эффект резонансного наддува, цилиндры одного ряда соединяются
короткими патрубками и объединяются с камерой резонанса. Эти камеры соединены с
открытой атмосферой посредством впускных труб, смотрите рисунок 3, в итоге это
все сходится в одну сборную камеру. Благодаря этому устанавливается порядок в
открытии и закрытии процессов наддува во всех граничащих рядом цилиндрах.

На рисунке 3 отображена система резонансного наддува. Под
цифрой (1) обозначена дроссельная заслонка, (2) сборная камера, цифрой (3)
отмечен резонансный впускной трубопровод, (4) это резонансная камера, (5)
короткий патрубок, (6) непосредственно цилиндр.

Так же, как и в предыдущем случае, чтобы достичь
максимальных результатов резонансного наддува, делаются расчеты диаметра и
длины патрубков, при этом необходимо учитывать обороты коленвала, плюс учесть
диаметр и длину резонансных камер.

Независимо от высоких или низких оборотов коленвала, чтобы
получить максимальный эффект резонансного наддува, как и в предыдущем случае с
инерционным наддувом используется уже известная система патрубков впускного
трубопровода, с автоматически изменяемой геометрией. В данном случае, когда
резонансная заслонка открывается, автоматически идет подключение к
дополнительному резонансному трубопроводу, соответственно колебания системы
впуска меняются, как итог цилиндры максимально наполняются воздухом при низких
оборотах коленвала.

Комбинированная
система наддува

Стоит сказать, что кроме двух выше перечисленных систем,
есть комбинированная система, которая соответственно совместила обе системы,
резонансную и инерционную.

На рисунке 4 хорошо видно, что из себя представляет комбинированная
система наддува.

Когда обороты коленвала высокие можно запускать отдельно
инерционный наддув, в этом случае как видите заслонка (7) открывается и
получается камера, в которой расположены короткие резонирующие патрубки.
Примечательно, что такой отдельный вариант инерционного наддува имеет очень
высокую частоту колебаний. Когда обороты падают до низких или средних, то
заслонка (7) автоматически перекрывается, получается система резонансного
наддува.