Заказать обратный звонок

Как работает двигатель с наддувом [часть 2]

Текст подготовлен компанией «ВолгаДеталь» – автозапчасти оптом

В серийных двигателях с обычным нагнетателем используется давление наддува, примерно 0.7 бар. Именно на этот параметр рассчитывается двигатель по своей степени сжатия.

Расчет системы двигателя идет таким образом, чтобы при наддуве 0.7 бар на максимальных оборотах (по отдаче, по мощности), двигатель выдавал максимальные мощностные показатели и при этом имел запас по мощности, чтобы не превышать допустимые параметры по давлению в камере сгорания (макс. давление в камере сгорания 50-60 АТМ).

Превышение максимального давления в камере сгорания двигателя может привести к его разрушению, возможно появление детонационных стуков,  разрушению и расплавлению поршня и как следствие придется купить автозапчасти.

 

Работа двигателя с наддувом

Двигатель работает следующим образом:

  1. Через выпуск газ поступает на крыльчатку турбокомпрессора, и вращает турбину.
  2. Крутящий момент турбокомпрессора передается на нагнетающую крыльчатку, которая нагнетает воздух и подает его на впуск.

Схема работы двигателя с наддувом

Рис. 1 Схема работы двигателя с наддувом

Обычные серийные двигатели с турбонаддувом очень сильно урезаны и имеют усредненные характеристики. Если рассмотреть график по мощности двигателя (рис. 2), то мощностные показатели двигателя, в идеальном случае, при низких оборотах возрастают, а на высоких оборотах (около 5000 тыс. об/мин) понижаются.

График мощности двигателя

Рис. 2 - График мощности двигателя

Желательно, чтобы крутящий момент нарастал примерно с 1000 об/мин до 3000 об/мин, а потом снижался (рис. 3), но для того, чтобы это обеспечить есть небольшие сложности.

График крутящего момента

Рис. 3 - График крутящего момента

Турбина на бензиновом двигателе, в отличие от дизелей с наддувом,  дает давление не с самых низких  оборотов. Для того, чтобы получить определенное давление, например 0.7 бар, нужно забрать определенную энергию от выпускных газов.

Двигатель рассчитывается на максимальные параметры и имеет заниженную степень сжатия. До 1500-2000 об/мин турбина не раскручивается и не дает нормального наддува, что влечет существенный провал.

 

Конструкция впускного тракта

Имеются такие конструкции, которые идут напрямую от турбины на двигатель (встречаются редко). В основном системы используют промежуточный охладитель (интеркулер, рис. 4), что в свою очередь увеличивает объем от турбины до впускного клапана. При такой системе имеется ощутимая задержка по нагнетаемому воздуху, т.е. турбине нужно сначала заполнить объем,  от турбины до впускного клапана, только потом вся система начнет работать в плюс. Все это сказывается на мощности и крутящем моменте. Они становятся критически низкими, а автомобиль становиться вялым.

Фото интеркулера

Рис. 4 - Интеркулер

Когда потока выпускных газов хватает на то, чтобы раскрутить турбину, происходит наполнение цилиндра и крутящий момент резко возрастает (рис. 5). Для того, чтобы не было рваных режимов нужно раскручивать турбину раньше и более плавно. 

График резкого крутящего момента

Рис. 5 - График резкого крутящего момента

Львиная доля энергии, которая будет вращать турбину, образуется самотеком от выходящих газов, а это значит, что чем ближе размещена турбина к двигателю, тем эффективнее будет работать система, но конструктивно сделать это не получается. Компенсируется это дело установкой коллектора с минимальным объемом.

Коллектор устанавливается для того, чтобы максимально сохранить давление выпускных газов в тот момент, когда открывается выпускной клапан и газы подходят к турбокомпрессору. На более низких оборотах и при более малом количестве выпускных газов такая мини компоновка позволяет использовать их энергию лучше и раскручивать турбину раньше. Так как  коллектор короткий и его объем очень маленький, сильно страдает фаза распределения в двигателе.

Таким коллектором выбирается момент. Турбина раскручивается более плавно и с большей эффективностью. Крутящий момент, с самых низких оборотов нарастает плавно, почти как на атмосферном двигателе, а в некоторых моментах значительно больше. При этом нужно поставить распределительный вал, который будет иметь очень узкую фазу для того, чтобы фактический убрать полностью продувку, которая присутствует в камере сгорания.

Например, в 4-ом цилиндре был выпуск:

  • поршень опускается вниз и в определенный момент открывается выпускной клапан, идет выпуск;
  • выпускные газы самотеком прорываются в коллектор, который имеет малый объем;
  • выпускные газы попадают в турбину (производят полезную работу);
  • поршень идет вверх выталкивая остатки газа;
  • когда поршень подходит к верхней мертвой точке, начнется выпуск, допустим в 3-ем цилиндре;
  • газы прорываются к турбине, турбина представляет собой определенное препятствие, т.е. нужно потратить какую-то энергию для того, чтобы провернуть само колесо как рычаг;
  • газы хаотично давят внутри коллектора во все стороны и получается что в соседнем цилиндре, где только что закончился выхлоп и выпускной клапан еще открыт резко идет возрастание давления, т.е. идет обратная волна с потоком газа в результате которой часть выпускных газов опять прорывается в глубь цилиндра (рис. 6) соответственно ухудшая его наполнение, т.е. вместо того чтобы выпустить отработанные газы часть их возвращается.

Поэтому на таких системах (с узким, задавленным коллектором) используются валы с очень узкими фазами. По-разному, в зависимости от конструкции, обычно фаза используется где-то 220-2400 и такой узко-фазный вал позволяет сузить фазу в те параметры, что когда открывается выпускной клапан в соседнем цилиндре, то в предыдущем цилиндре выпускной клапан почти что закрыт. При этом отсутствует продувка в цилиндре. Это убирает негативное влияние обратной волны, которая загоняет часть выпускных газов обратно в цилиндр. Это приводит к тому, что с одной стороны, можно добиться более или менее нормальных показателей по крутящему моменту, но с другой стороны это сильно урезает возможность двигателя по оборотам. Потому что фазы очень узкие и на определенных оборотах, после 4000-5000 об/мин газообмен становится на столько критически неудовлетворительным, что дальнейшее раскручивание двигателя может привести к повреждению детали.

 

В процессе впуска:

  • топливно-воздушная смесь нагревается (т.к. контактирует с оставшимися горячими газами в цилиндре);
  • .плотность уменьшается;
  • наполнение цилиндра катастрофически падает;
  • понижается порог устойчивости двигателя к детонации;
  • эффективность наполнения цилиндра становится значительно меньше;
  • часть инертных газов остается.

 

Интеркулер

Если в идеальных условиях, при атмосферном давлении будет 100% наполнение цилиндра, а при наддуве в 1 бар (давление в 2 раза выше), то теоретически наполнение цилиндра должно увеличится на 100%. В реальных условиях такого не происходит, т.к. температура воздуха увеличивается, соответственно плотность падает и наполнение не превышает 40-50% в зависимости от конструкции двигателя. Затраты на то, чтобы сделать систему с наддувом довольно существенны. Использование интеркулера, улучшает всю картину по наполнению.

Интеркулер используется для того, чтобы охладить впускной заряд.

Дело в том, что сам впускной заряд, помимо того, что он разогревается от выпускных газов, сам по себе изначально имеет повышенную температуру. Это происходит из-за того, что когда газ попадает в турбину и нагнетается. Давление газа увеличивается, что сказывается на повышении его температуры.

На нагрев впускного воздуха действуют следующие факторы:

  • течение по впускному тракту;
  • сжатие воздуха;
  • контакт с горячей турбиной;
  • контакт с крыльчаткой турбины;
  • трение воздуха о стенки впускной системы (интеркулера), все патрубки и все остальное.

 

Недостатки интеркулера

Использование промежуточного охладителя (интеркулера) позволяет улучшить систему с наддувом, но интеркулер имеет и свои недостатки. С одной стороны, чтобы повысить эффективность системы нужно поставить большой интеркуллер который бы хорошо охладил впускной заряд. Но если мы поставим большой интеркулер, мы увеличим значительно объем от турбины до впускного клапана. Соответственно, провал (турбояма), когда турбина раскручивается ей нужно наполнить давлением весь впускной тракт. Задержка по времени становится намного больше. С одной стороны, заряд охлаждается, с другой стороны появляется турбояма. На таких, пользовательских двигателях, используется сравнительно небольшие интеркулеры, такие чтобы не сильно превышать объем всего впускного тракта, чтобы более или менее охладить впускной заряд и в тоже время увеличить его объем. При этом система остается очень задавленной потому что имеет существенное ограничение по оборотам. Дело в том, что подобные системы рассчитываются таким образом, что вся система с нагнитателем подгоняется фазами газораспределения, чтобы работала в узком диапазоне, чтобы имела хорошую отдачу в диапазоне с 2000 до 4000 об/мин и был момент хороший, а мощность наступала на 4000-5000 об/мин.

 

Мощь на низких оборотах

На низких оборотах двигатель может не развивать всю мощность. На высоких оборотах двигатель развивать мощность будет, но увеличивается вероятность его выхода из строя. Дело в том, что чем выше обороты, тем меньше времени остается на выпуск и впуск свежего заряда (цикл газообмена).

Система, изначально рассчитанная на плавный крутящий момент при низких оборотах, имеет маленький коллектор, относительно маленькую горячую часть турбины, что позволяет меньшим количеством выпускных газов раскручивать с низких оборотов.

 

Мощь на высоких оборотах

Когда двигатель раскручивается до 5000-6000 об/мин, при этом получается что цикл газообмена по времени становится коротким, но общее количество воздуха (газа) которое двигатель может прокачать становится большим. Т.е. нужно обеспечить хороший газообмен более развитый и более большой выпускной тракт, но система имеет усредненные параметры. В определенный момент, когда двигатель доходит до определенных оборотов,  получается эффект такой, что выпускной клапан открывается, т.е. идет выпуск. Фаза распредвалов очень узкая, время цикла очень маленькое, получается что довольно существенное количество газа остается в цилиндре без выпуска.

Когда открывается выпускной клапан, коллектор (очень маленький по своему объему) и турбина существенно тормозит выпуск большого количества газа в ед. времени. Это приводит к тому, что поток газа, который выделяет двигатель, значительно превышает пропускную способность выпускного тракта в целом, т.е. коллектора и турбины. Это приводит к тому, что при каждом выпуске давление выпуска становится значительно больше. И намного больше выпускных газов остается в камере сгорания, которые имеют какое-то давление. В дальнейшем из-за ограниченной пропускной способности всей выпускной системы остаточное давление выпускных газов в камере сгорания значительно больше. Соответственно раз давление больше, то и количество выпускных газов больше. При этом впускной заряд еще больше подогревается, т.е. его давление выше. Соответственно наполнение еще больше уменьшается и остается часть инертных газов в камере сгорания, т.е. в цилиндре остается намного больше чем раньше. Все это приводит к тому, что мощность, эффективность по мощностным показателям значительно падает (по моменту) катастрофически. За счет наддува, двигатель все еще можно раскручивать, но возникает большая вероятность того, что двигатель  будет поврежден и выйдет из строя, т.к. температура остаточных выпускных газов все время очень большая, плюс впускной заряд подогревается намного больше и общая температура в камере сгорания становится катастрофически большой, не просто температура, а теплопередача в стенки камеры сгорания (в головку, в цилиндр и в сам поршень и в выпускные клапана). Перегревается днище поршня, перегреваются клапана, что приводит к детонации, прогару поршня, обрыву клапана и вообще к повреждению и выхода двигателя из строя.

При обычном, нормальном цикле, выпуск сменяется впуском, когда в цилиндр заходит свежий заряд и частично охлаждает. Он вбирает в себя тепло (от горячего поршня, горячих клапанов, горячей головки и стенок камеры сгорания) и система более или менее уравновешивается.

В заводском двигателе с наддувом существенным плюсом является то, что он развивает значительно больше крутящий момент именно на низких оборотах, а по постройке и проектированию такой двигатель будет значительно сложнее атмосферного.

Например, Хондовские двигатели с софтеком и без софтека есть 1.8 где почти 200 л.с. , т.е. с завода он имеет хорошую повышенную мощность.

 

Впуск на атмосферном двигателе (тракт и распредвал)

Распредвал имеет такую же узкую фазу как и выпуск. Это делается для того, чтобы полностью убрать эффект продувки.

Если выпускной распредвал будет иметь узкую фазу (делается, чтобы ограничить попадание выпускных газов опять в цилиндр), а впускной вал делается с широкой фазой, то это приведет к тому, что при опережении открытия впускного клапана часть выпускных газов которые остаются в камере сгорания, которые из за продувки никуда не деваются, будут прорываться во впуск, существенно ухудшая наполнение, т.е. будет намного раньше контактировать горячий газ со впускным газом все это приведет к том, что заряд будет намного больше подогреваться. Точно также в свою очередь убирается запаздывание закрытие впускного клапана. Потому что при использовании наддува именно на низких оборотах в любом случае будет обратная волна, что на атмосферном двигателе, что и на двигателе с наддувом, где волна будет более существеннее и даже может  привести к повреждению турбины и ухудшению работы всей системы.

Чтобы все это убрать делается точно также узкий распредвал на впуск. Загвоздка вся в том, что обеспечиваются хорошие параметры по крутящему моменту именно на низких оборотах, но при увеличении оборотов наполнение катастрофически улучшается, т.е. получается с одной стороны остается очень много выпускных газов с другой стороны наполнение становиться все хуже и хуже потому что фаза распредвала узкая.

В народе считается, что если добавить давление наддува, то можно все это обойти и вывести двигатель на хорошие характеристики и все будет работать. На практике такого не происходит из-за фазы распределительного вала.

На больших оборотах отводится мало времени на впуск. База узкая. Можно давление наддува увеличить в 2, 3 раза, но все равно цикл происходит очень быстро. Пропускная способность канала головки, пропускная способность времени отсечения клапана все это очень ограничивает характеристики по впуску.

Запросить прайс-лист

Вы можете запросить прайс-лист на автозапчасти по всем заводам. И мы проконсультируем вас!

Новости
30.04.2020 Качественная и быстрая замена топливного фильтра
Своевременная замена топливного фильтра обязательна для любых марок авто, так как от этого зависит срок службы топливной системы и могут существенно сократиться расходы владельца на ремонт.
17.04.2020 Что нужно знать о свечах зажигания - три важных пункта
Как правильно выбирать свечи зажигания автомобиля, виды
26.03.2020 Профессиональная замена тормозных колодок
Каждое транспортное средство нуждается в регулярном осмотре тормозных колодок, а при обнаружении признаков износа - их замене.
17.03.2020 Гарантия качества запчастей INA и как отличить подделку
Гарантийный срок на запчасти компании INA, претензии по гарантии. Как отличить качественную оригинальную деталь от подделки.
Показать все новости





Заявка на сотрудничествоОтзывы клиентов
Отзывы
« Покупаю в данном магазине запчасти на свою машину не первый раз, качество обслуживания и качество запчастей на высшем уровне.Цены на запчасти во много раз дешевле чем у нас в магазинах.Реко мендую!!!»

Сергей г.Белгород
05.12.2018
« К моему большому разочарованию Эта фирма не работает по мелким заказам,только от 30.000руб. Очень жаль.Заказал фонарь на Ларгус за 750руб,мне отказали.»

Шарипов... г.Орск
04.07.2017
« Заказывал ремкомплект шрусов для кардана Серп и Молот на нива шевроле. Хотелось бы выразить менеджеру Алексею респект после оплаты очень оперативная отправка ТК. Груз получен упаковка нормальная.»

Сергей г.Урюпинск
06.05.2016
« Покупал кардан на ниву, в день оплаты сразу отправили что очень порадовало, упаковка товар супер, сервис на 5+ всем советую!!!»

Игорь г.Самара
05.05.2016
 
Нажимая на кнопку "Отправить" Вы даете согласие на обработку персональных данных

 

Заявка принята!
Мы перезвоним вам.

x
Запрос оптового прайс-листа
Нажимая на кнопку "Отправить запрос" Вы даете согласие на обработку персональных данных
Отменить
x
Укажите номер телефона.
Мы перезвоним вам.
Нажимая на кнопку "Жду звонка" Вы даете согласие на обработку персональных данных
Отменить