Современные газодинамические устройства в автомобильной технике

МОСКОВСКИЙ  ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ

(Технический  Университет) 

Кафедра инженерной теплофизики 
 
 
 

ДОКЛАД

на тему: «современные газодинамические устройства в автомобильной технике» 
 
 
 
 
 
 
 

Выполнил: Огнерубов Д.А.

Группа: ТФ-10-06

Преподаватель: Глазков В.В. 

Москва 2010г.

 

I. Устройства повышения давления нагнетаемого воздуха.

  Идея улучшить наполнение цилиндров с помощью  компрессора с приводом (как правило, ременным) от коленчатого вала появилась  почти одновременно с рождением  самого двигателя внутреннего сгорания, то есть в конце 19-го века. А уже  в 20-ых годах следующего столетия были выпущены первые компрессорные автомобили.

  Столь быстрому успеху механических компрессоров способствовала их относительная простота и долговечность. При этом наиболее удачным из них  оказался нагнетатель, изобретенный братьями Рутс: воздух в нем сжимается двумя роторами, вращающимися в противоположные стороны со скоростью до 20000об/мин.

  В 20-ые годы 20 века механические нагнетатели уже  широко применялись на гоночных автомобилях. Например, на этом Bentley 1929 года компрессор Roots (установленный снаружи спереди) позволил с 4,4 литров рабочего объема снять 170л.с. Безнаддувный же вариант выдавал  лишь 103л.с.

  Достоинства и недостатки механических нагнетателей обусловлены их жесткой связью с  валом мотора. К преимуществам  относится эффективный наддув, начиная  уже с холостых оборотов двигателя, а так же постоянное поддержание  высокого давления во впускном коллекторе, благодаря которому автомобиль следует  за педалью газа без каких-либо задержек.

  Главный же недостаток – это отбор мощности у мотора, и, соответственно, увеличение расхода  топлива. Причем на мощных компрессорных  двигателях эти потери составляют далеко не один десяток лошадиных сил. Но разве можно считать недостатком  потребность устройства в энергии  для работы? Оказывается можно, ведь есть турбокомпрессоры! 

  Конструкция и принцип действия механического компрессора:

   Механический компрессор Roots: вращающиеся в противоположные стороны роторы захватывают и переносят воздух перпендикулярно оси своего вращения. Таким образом, Roots относится к компрессорам внешнего типа, то есть, работая подобно насосу, он поднимает давление во впускной системе, но не сжимает воздух внутри себя. Из-за этого возникает такая проблема, как частичное движение воздуха в обратном направлении: из впускного коллектора в компрессор, что ведет снижению эффективности наддува.

  Компрессоры Lysholm похожи на Roots, но в них роторы закручены гораздо сильнее, за счет чего воздух уже не только прокачивается сквозь компрессор, но и сжимается внутри него. Поэтому каждый нагнетатель Lysholm имеет свою внутреннюю степень сжатия, и, если она подобрана правильно, то удается избежать и обратного движения воздуха: давление в компрессоре оказывается больше давления во впускном коллекторе.

   Турбокомпрессор

  Разумеется, турбонагнетатель – не “вечный двигатель”, но, в  отличие от механического компрессора, для сжатия воздуха он использует “бесплатную” энергию выхлопных  газов. Действительно, когда в двигателе  в конце такта расширения открывается  выпускной клапан, то нагретые до 1000 градусов отработавшие газы вырываются из цилиндра под давлением около  пяти бар. Поэтому вполне логично  поставить на их пути турбину, которая  могла бы совершать какую-то полезную работу. Например, нагнетать воздух в цилиндры, как предложил еще 1905 году инженер Альфред Бюи.

   Выдвинутый им принцип турбокомпрессора остался неизменным и до сих пор: к турбине через общий вал  пристыковывается центробежный воздушный  насос, нагнетающий воздух в цилиндры. Соответственно, чем сильнее отработавшие газы раскручивают ротор турбины, тем  большее давление обеспечивает компрессор.

  Однако в  производстве такие агрегаты отнюдь не просты, ведь подшипники вала должны выдерживать крайне высокие температуры  и огромные, до двухсот тысяч оборотов в минуту(!), скорости вращения. Из-за этого приходится, например, включать турбокомпрессор в единую систему  смазки двигателя.

  Другой проблемой  турбонаддува является его инерционность, то есть задержки между нажатием водителя на газ и началом интенсивного разгона - драгоценное время уходит на раскручивание турбины. А при  низких оборотах двигателя турбокомпрессор  и вовсе оказывается беспомощным  – потока выхлопных газов просто не хватает для интенсивной раскрутки  ротора.

  Интеркулер

  Так как сжатие воздуха сопровождается его нагревом, что приводит к уменьшению плотности, а как следствие к снижению и эффективности наддува в системах турбонаддува применяется интеркулер – своеобразный «промежуточный радиатор» (между компрессором и цилиндрами) для охлаждения воздуха, подаваемого в цилиндры. Интеркулеры бывают двух видов: воздухо-воздушный и водо-воздушный. В автомобилях преимущественно используются воздухо-воздушные интеркулеры, располагающиеся, как правило, либо фронтально (перпендикулярно продольной оси автомобиля) – обычно пространство перед/под радиатором двигателя, либо горизонтально над двигателем.

  Ниже приведём статью из журнала «Зарулём», в которой  описывается метод охлаждения надувного  воздуха за счёт испарения жидкости. 

 

  Турбины с изменяемой геометрией крыльчатки

В настоящее время  наряду с системами «сдвоенного  турбонаддува» все большее распространение  получают системы наддува с изменяемой геометрией, то есть с изменением сечения  на входе колеса турбины. Происходит это за счет поворота небольших лопастей вокруг «крыльчатки».

 

Уменьшение сечения  на низких оборотах (при недостаточном  для раскрутки колеса турбины  количестве выхлопных газов) способствует увеличению мощности потока отработавших газов. Когда же двигатель работает на высоких оборотах, и мощность потока газов возрастает, сечение  увеличивается так, чтобы обеспечить достаточный двигателю «наддув», избежав при этом перегрузки турбокомпрессора.

 

  По сравнению  с «традиционными» турбокомпрессорами, имеющими в своей конструкции  перепускной клапан, регулирующий обороты  турбины, а следовательно и производительность компрессора, турбокомпрессоры с изменяемой геометрией более экономичны (естественно, относительно расхода топлива) и экологичны при более высокой мощности.

  Разработка  подобных систем наддува, помимо снижения затрат на топливо и выброса вредных  веществ в атмосферу, направлена еще и на повышение производительности двигателей – исключения такого явления, как турбо-яма (турбо-лаг), когда на низких оборотах двигателя давления выхлопных газов недостаточно для  раскрутки турбины, и только на высоких  оборотах двигатель раскрывает свою истинную сущность, обозначенную «шильдиком»  «turbo». 

  Устройство  системы газораспределения  на примере двигателя  Volkswagen 1.4 TSI

  Ровный, напористый разгон, уверенная тяга почти с  холостых оборотов и стремительная  раскрутка до предельных 7000об/мин - нечасто столь лестные слова  бывают адресованы моторчику объемом 1,4 литра, но именно они как нельзя лучше характеризуют фольксвагеновский  двигатель TSI.

  Секрет TSI кроется в применении непосредственного впрыска топлива совместно с двойным наддувом – турбонагнетателем и механическим компрессором. Эта высокотехнологичная мозаика позволила инженерам Фольксвагена создать мощный и одновременно экономичный мотор, лишенный недостатков, присущих данным технологиям, взятым по отдельности.  

    <- Турбокомпрессор и механический нагнетатель расположены по разные стороны двигателя.

  Известно, что  турбонагнетатель позволяет эффективно использовать энергию выхлопных  газов для закачивания дополнительного  воздуха в цилиндры, однако он инерционен и малоэффективен при низких оборотах мотора. Механический же компрессор - напротив, моментально создает высокое  давление даже на холостых оборотах, но при этом не позволяет экономно управлять  давлением наддува и отбирает значительную мощность у мотора при  высокой частоте вращения. Технология TSI удачно совмещает эти два типа наддува: на помощь турбине при низких и средних оборотах приходит механический компрессор, который до 2400об/мин включен в постоянном режиме, а выше, плоть до 3500об/мин, подключается лишь при резком ускорении, устраняя запаздывание турбонагнетателя, так называемую турбояму. В верхнем же диапазоне оборотов, когда турбина уже в одиночку справляется с созданием необходимого давления наддува, компрессор в целях экономии топлива отключается.

  

  Схема системы двойного наддува. Забор воздуха  осуществляется через  воздушный фильтр. Положение регулировочной заслонки в блоке  управления заслонкой  определяет направление  потока воздуха: через  компрессор и/или  непосредственно  к турбонагнетателю. От турбонагнетателя воздух через интеркулер и блок управления дроссельной заслонкой поступает во впускной коллектор.

  

    Диапазоны работы нагнетателей. Оранжевая область - зона ответственности механического нагнетателя, синяя - турбонаддува, а зелёная - область их совместной работы.

    В результате, с объема 1,4 литра снимается 170лс и 240Нм крутящего момента в широком диапазоне 1750-4500об/мин! Golf GT с таким мотором разгоняется так, словно под капотом стоит шестерка объемом 2,5 литра. И никаких запаздываний, свойственных турбомоторам, – за нажатием педали газа следует моментальная реакция, с любых оборотов загоняющая стрелку тахометра в красную зону за считанные секунды. Поразительная согласованность элементов столь сложной системы! Все это в полной мере относится и к дефорсированной до 140лс версии мотора 1,4 TSI. Конечно, с мощной шестеркой его не сравнить, но вот своего ближайшего конкурента, двухлитрового 150-сильного мотора FSI, он обставит легко – внушительный тяга в 220Нм в широком диапазоне оборотов (от 1500 до 4000об/мин) обеспечивает несравнимо лучшую эластичность и не даёт отстать при низких стартах.

   Но, увлекшись  динамикой, важно не забыть, что  изюминкой моторов TSI является не столько мощность - в конце концов, в 170лс нет ничего особенного - сколько её уникальное сочетание с отличной топливной экономичностью. Заявленный средний расход 170-ти сильного Golf TSI составляет всего 7,6л/100 км, что лишь на 4% больше расхода со старым мотором 1,4л мощностью 80лс! Добиться такой экономичности удалось в первую очередь благодаря малому рабочему объему двигателя и непосредственный впрыску, позволившему, несмотря на двойной наддув, поднять степень сжатия до 10:1, тем самым, увеличив КПД мотора и, соответственно, дополнительно снизив расход топлива. Поэтому, при спокойной езде, двигатель TSI – это практически обычный мотор 1,4 литра с характерно низким расходом топлива, однако стоит только посильнее надавить на газ, как он вмиг преобразится, отозвавшись мощным, упругим ускорением, которому позавидуют многие, гораздо более объемные, моторы. 

  Топливный насос, обеспечивающий впрыск топлива в  камеру сгорания под  давлением 200атм, установлен на головке блока  и приводится в  действие кулачком распредвала - стандартная для моторов концерна Volkswagen схема.  
 

  Перспективы использования наддува

  Одно время  механические и турбинные нагнетатели  являлись полноценной альтернативой  друг другу. Но сейчас, когда счет идет на каждый грамм CO2, их пути расходятся. Турбокомпрессоры перестали быть исключительно  средством установления рекордов мощности: теперь они помогают создавать экономичные  компактные, но при этом динамичные моторы, такие как, например, агрегаты Audi TFSI. А с врожденными недостатками борются с помощью изменяемой геометрии лопастей, или просто установкой вместо одного большого турбокомпрессора двух маленьких, обладающих существенно меньшей инерционностью.

  Что же до механических нагнетателей, то они сдают позиции  – уж слишком велики потери мощности. Однако, подключаясь по мере необходимости, они вполне могут дополнять турбонаддув, устраняя задержки и помогая ему  на низких оборотах, что и продемонстрировал Volkswagen своим необычным мотором TSI. И если этот двигатель пройдет  испытание временем, то, может быть, в будущем давние конкуренты –  турбонаддув и механический компрессор - вновь встретятся лицом к лицу, но на сей раз уже в качестве партнеров.

  Ни кому не секрет, что «паровозом» развития технологий в автоиндустрии служит Формула 1. Совсем недавно, 10 декабря 2010 года Международная Автомобильная Федерация Автоспорта FIA утвердила введение новых двигателей для формульных болидов – это должно произойти в 2013 году.