Класифікація, принцип роботи і пристрій автомобільних двигунів (частина 6)

1.3.8. Наддув в ДВС

1.3.9. Система випуску відпрацьованих газів.

1.3.8. Наддув в ДВС

Ефективним засобом підвищення потужності і гнучкості роботи двигуна є наддув. Він дозволяє подати в циліндри додаткову кількість повітря і відповідно збільшити подачу палива в робочому циклі, в результаті чого збільшується потужність двигуна.

У ДВС застосовують три типу наддуву:

• резонансний - при якому використовується кінетична енергія об'єму повітря у впускних колекторах (без нагнітача);
• механічний - в цьому варіанті компресор приводиться в обертання від двигуна
• газотурбінний (або турбонаддув) - турбіна приводиться в рух потоком відпрацьованих газів.

У кожного способу свої переваги і недоліки, що визначають область застосування.

Для кращого наповнення циліндра необхідно збільшити тиск перед впускним клапаном. Дане підвищення тиску бажано в період закінчення процесу впуску з метою надходження в циліндр додаткової порції свіжого заряду. Для короткочасного підвищення тиску використовуються хвильові явища, що відбуваються у впускний системі і зокрема хвиля стиснення, що рухається по впускному трубопроводу при роботі ДВС. Необхідно розрахувати довжину трубопроводу, щоб хвиля, кілька разів відбившись від його кінців, прийшла до клапану в потрібний момент. Впускний клапан при різній частоті обертання колінчастого вала відкритий неоднакове час, а тому для використання ефекту резонансного наддуву потрібні впускні трубопроводи змінної довжини. При короткому впускному колекторі ДВС краще працює на високих оборотах, при низьких оборотах ефективніший довгий впускний тракт. Змінні довжини впускних трубопроводів можна створити двома способами: або шляхом підключення резонансної камери, або через перемикання на потрібний впускний канал або його підключення. Останній варіант називають ще динамічним наддувом. Як резонансний, так і динамічний наддув можуть прискорити протягом впускного стовпа повітря. Ефекти наддуву, створювані за рахунок коливань напору повітряного потоку, знаходиться в діапазоні від 5 до 20 миллибар. Для порівняння: за допомогою турбонаддува або механічного наддуву можна отримати значення в діапазоні між 750 і 1200 миллибар. Також існує ще інерційний наддув, при якому основним фактором створення надлишкового тиску перед клапаном є швидкісний напір потоку у впускному трубопроводі. Такий наддув дає незначну прибавку потужності при високих (більше 140 км / ч) швидкостях руху. Використовується в основному на мотоциклах.

Мал. 1.41. Настроюється впускний колектор

Механічні нагнітачі (по англ. Supercharger) дозволяють порівняно нескладно значно підняти потужність ДВС. Маючи привід безпосередньо від колінчастого вала двигуна, компресор здатний подавати повітря в циліндри при мінімальних обертах і без затримки збільшувати тиск наддуву пропорційно оборотам мотора. До недоліків механічного наддуву відносяться наступні: зниження ККД двигуна, так як на привід витрачається частина потужності, що виробляється силовим агрегатом, системи механічного наддуву займають більше місця, вимагають спеціального приводу (зубчастий ремінь або шестерний привід) і є джерелом підвищеного шуму.

Мал. 1.42. механічні нагнітачі

Існує два види механічних нагнітачів: об'ємні і відцентрові.

Типовими представниками об'ємних нагнітачів є нагнітач Roots і компресор Lysholm. Об'ємні нагнітачі піднімають криві потужності й крутного моменту, не змінюючи їх форми. Вони ефективні вже на малих і середніх оборотах, що найкращим чином позначається на динаміці розгону. Недоліком таких нагнітачів є висока вартість, складність виготовлення і установки.

Конструкція Roots нагадує масляний шестерний насос. Два ротора обертаються в протилежні сторони всередині овального корпусу. Осі роторів пов'язані між собою шестернями. Особливість такої конструкції в тому, що повітря стискається не в нагнітачі, а зовні - в трубопроводі, потрапляючи в простір між корпусом і роторами. Основний недолік - в обмеженому значенні наддуву, при досягненні певного тиску повітря починає просочуватися назад, знижуючи ККД системи. Для усунення даного недоліку застосовуються такі методи: збільшення швидкості обертання роторів, застосування двох і триступеневий нагнітачів. Таким чином, можна підвищити значення тиску до необхідного рівня, однак багатоступінчасті конструкції є досить громіздкими. У сучасних конструкціях застосовуються кущ ротори спіральної форми, а впускний і випускний вікна мають трикутну форму. Невисокі швидкості обертання роторів, а отже, довговічність конструкції, а також низький шум сприяють широкому застосуванню конструкції Roots фірмами DaimlerChrysler, Ford і General Motors.

Інженер Лісхольм (Lysholm) запропонував нагнітати у впускний колектор повітря під надлишковим тиском гвинтовим нагнітачем, або «double screw» (подвійний гвинт). Усередині корпусу встановлено два взаємодоповнюючих гвинтових насоса (шнека). Обертаючись в різні боки, вони захоплюють порцію повітря, і стискають її. Гвинтові нагнітачі ефективні практично у всьому діапазоні оборотів двигуна, безшумні, дуже компактні, але відрізняються високою вартістю через складність у виготовленні. Вони знайшли широке застосування в основному в тюнинг-ательє (AMG, Kleemann).

Відцентрові нагнітачі по конструкції нагадують турбонаддув. Надмірний тиск у впускному колекторі також створює компресорне робоче колесо (крильчатка). Його радіальні лопаті захоплюють і відкидають повітря від центру до периферії за допомогою відцентрової сили. Відмінність від турбонаддува полягає лише в приводі. Відцентрові нагнітачі мають недолік пов'язаний з їх інерційністю. Фактично величина виробленого тиску пропорційна квадрату швидкості компресорного колеса. Обертатися колесо має дуже швидко, щоб надути в циліндри необхідний повітряний заряд, часом в десятки разів перевищуючи обертів двигуна. Ефективний відцентровий нагнітач на високих оборотах. Механічні відцентрові нагнітачі не такі складні в обслуговуванні і довговічніші газодинамічних, оскільки працюють при менш екстремальних температурах. Відрізняються невибагливість і дешевизною конструкції.

Мал. 1.43. Схема механічного наддуву

Більш широко на сучасних автомобільних двигунах застосовуються турбокомпресори. По суті, це розглядається раніше відцентровий компресор, але з іншою схемою приводу, що є принциповим відрізнити механічних нагнітачів від "турбо". Саме схема приводу значною мірою визначає характеристики і області застосування тих чи інших конструкцій. У турбокомпресора крильчатка-нагнітач знаходиться на одному валу з крильчаткою-турбіною, яка вбудована у випускний колектор двигуна і приводиться в обертання відпрацьованими газами. Частота обертання може перевищувати 200.000 об / хв. Прямого зв'язку з колінчастим валом двигуна немає, і управління подачею повітря здійснюється за рахунок тиску відпрацьованих газів

Мал. 1.44. газотурбінний наддув

До переваг турбонаддува відносять: підвищення ККД і економічності мотора (механічний привід відбирає потужність у двигуна, цей же використовує енергію відпрацьованих газів, отже, ККД збільшує). Наддувши дає можливість досягти заданих характеристик силового агрегату при менших габаритах і масі, ніж у випадку застосування "атмосферного" двигуна. Крім того, у турбодвигуна кращі екологічні показники. Наддув камери згоряння призводить до зниження температури і, отже, зменшення утворення оксидів азоту. У бензинових двигунах наддувом домагаються більш повного згоряння палива, особливо на перехідних режимах роботи. У дизелях додаткова подача повітря дозволяє змістити кордон виникнення димності, т. Е. Зменшити з викиди частинок сажі. Дизелі істотно краще пристосовані до наддуву взагалі, і до турбонаддуву зокрема, на відміну від бензинових моторів, в яких тиск наддуву обмежується небезпекою виникнення детонації. Дизель можна наддувається аж до досягнення граничних механічних навантажень в його механізмах. Тиск вихлопних газів дизеля в 1,5-2 рази вище, ніж у бензинового мотора, що дозволяє турбокомпресору забезпечити ефективний наддув з найнижчих оборотів, уникнувши властивого бензиновим турбомотором провалу - "турбоями". Відсутність дросельної заслінки в дизелі дозволяє забезпечити ефективне наповнення циліндрів на всіх оборотах без застосування складної схеми управління турбокомпресором. Турбокомпресори прості у виготовленні, що окупає ряд властивих їм недоліків.

Основними способами зменшення інерційності турбокомпресора є наступні. В першу чергу, зниження маси обертових деталей турбіни і компресора. Зниження маси досягається не тільки конструкцією ротора, а й вибором для нього відповідних матеріалів. Основна складність при цьому - висока температура відпрацьованих газів. Металокерамічний ротор турбіни приблизно на 20% легше виготовленого з жаростійких сплавів і до того ж володіє меншим моментом інерції. Позбутися від недоліків турбокомпресора дозволяє не тільки зменшення інерційності ротора, а й застосування додаткових, іноді досить складних схем управління тиском наддуву. Основні завдання при цьому - зменшення тиску при високих оборотах двигуна і підвищення його при низьких. Повністю вирішити всі проблеми можна використанням турбіни із змінною геометрією (Variable Nozzle Turbine), наприклад, з рухомими (поворотними) лопатками, параметри якої можна змінювати в широких межах. Принцип дії VNT турбокомпресора полягає в оптимізації потоку вихлопних газів, які направляються на крильчатку турбіни. На низьких оборотах двигуна і малій кількості вихлопних газів VNT турбокомпресор направляє весь потік вихлопних газів на колесо турбіни, тим самим, збільшуючи її потужність і тиск наддуву. При високих оборотах і високому рівні газового потоку турбокомпресор VNT має рухливі лопатки в відкритому положенні, збільшуючи площу перетину і відводячи частину вихлопних газів від крильчатки, захищаючи себе від перевищення оборотів і підтримуючи тиск наддуву на необхідному двигуну рівні, виключаючи перенаддув.

Мал. 1.45. VNT турбокомпресор

Крім одиночних систем наддуву часто зустрічається двоступеневий наддування. Перший ступінь - приводний компресор - забезпечує ефективний наддув на малих обертах ДВС, а друга - турбонагнетатель - утилізує енергію вихлопних газів. Після досягнення силовим агрегатом достатніх для нормальної роботи турбіни оборотів, компресор автоматично вимикається, а при їх падінні знову вступає в дію.

Мал. 1.46. двоступеневий наддування

Ряд виробників встановлюють на свої двигуни відразу два турбокомпресора. Такі системи називають «битурбо» або «твинтурбо». «Бітурбо» має на увазі використання різних по діаметру, а, отже, і продуктивності, турбін. Алгоритм їх включення може бути як паралельним, так і послідовним (секвентальним). На низьких оборотах швидко розкручується і вступає в роботу турбонаддув з турбіною малого діаметра, на середніх до нього підключається турбонаддув з турбіною великого діаметру. Таким чином, вирівнюється розгінна характеристика автомобіля. Основне завдання «твинтурбо» полягає не в згладжуванні «турбоями», а в досягненні максимальної продуктивності. При цьому використовуються дві однакові турбіни. В даному випадку, дві невеликі і менш інерційні турбіни можуть виявитися ефективніше однієї великої.

Необхідно відзначити, що турбонаддув має недоліки, пов'язані в основному з надійністю роботи турбокомпресора. Так, ресурс турбокомпресора істотно менше ресурсу двигуна. Турбокомпресор пред'являє жорсткі вимоги до якості моторного масла. Несправний агрегат може повністю вивести з ладу сам двигун. Крім того, власний ресурс турбодизеля трохи нижче такого ж атмосферного дизеля через велику ступеня форсування. Такі двигуни мають підвищену температуру газів в камері згоряння, і щоб домогтися надійної роботи поршня, його доводиться охолоджувати маслом, що подається знизу через спеціальні форсунки.

1.3.9. Система випуску відпрацьованих газів

Система випуску відпрацьованих газів призначена для відводу відпрацьованих газів з циліндрів двигуна, а також зниження шуму і токсичності.

Система випуску відпрацьованих газів включає такі основні елементи (див. Рис. 1.47): 1 - випускний клапан; 2 - випускний тракт (канал, колектор, трубопровід); 3 - приймальня труба глушника; 4 - додатковий глушник (резонатор); 5 - основний глушник; 6 - з'єднувальний хомут.

Також в системі впуску сучасних двигунів встановлені пристрої для зменшення шкідливих речовин у відпрацьованих газах: каталітичний нейтралізатор, фільтр сажі (на дизельних двигунах).

Мал. 1.47. Схема системи випуску відпрацьованих газів

Випускний тракт забезпечує безпосереднє відведення відпрацьованих газів. Форма і розміри випускного тракту (колектора і трубопроводу) визначають характер коливального процесу відпрацьованих газів у випускній системі, і в підсумку впливають на потужність і крутний момент двигуна. Коливальний процес відпрацьованих газів у випускній системі повинен бути узгоджений з коливальним процесом паливо-повітряної суміші у впускний системі. На випускний колектор доводиться висока температурна навантаження, тому він виготовляється, як правило, з жароміцного чавуну.

Глушник [3] (див. Рис. 1.48) виконує наступні основні функції: зниження рівня шуму відпрацьованих газів; перетворення енергії відпрацьованих газів, зниження їх швидкості, температури, пульсації.

Відпрацьовані гази, які вилітають із циліндри двигуна, мають високий тиск. Рух відпрацьованих газів по випускній системі пов'язано з поширенням хвиль, що рухаються зі швидкістю звуку. Глушник перетворює енергію звукових коливань в теплову енергію, чим досягається зниження рівня шуму до певного (заданого) значення. Разом з тим із застосуванням глушника в випускний системі створюється протитиск, яке призводить до деякого зниження потужності двигуна.

Всередині глушника використовується декілька технологій зниження рівня шуму:

- розширення (звуження) потоку;

- зміна напрямку потоку;

- інтерференція звукових хвиль;

- поглинання звукових хвиль.

Розширення потоку реалізовано за допомогою декількох камер різного об'єму, розділених перегородками. Дозволяє ефективно гасити низькочастотні звукові коливання. Поряд з розширенням в глушнику здійснюється звуження потоку за допомогою діафрагмового отвори (дроселя). Використовується для гасіння високочастотного шуму.

Мал. 1.48. Глушники: а) - додатковий глушник (резонатор); б) - основний глушітель1 - корпус; 2 - теплоізоляція; 3 - глуха перегородка; 4 - перфорована труба; 5 - дросель; 6 - передня перфорована труба; 7 - впускний патрубок; 8, 10, 12 перегородки; 9 - випускний патрубок; 11 - задня перфорована труба; 13 - корпус

Всередині глушника, за винятком прямоточних глушників, передбачається зміна напрямку руху потоку відпрацьованих газів. Кут повороту потоку знаходиться в межах 90-360 °, чим досягається гасіння середньо- і високочастотних звукових коливань.

Інтерференція звукових хвиль, в залежності від характеру їх накладення, призводить до збільшення (конструктивна інтерференція) або зменшення (деструктивна інтерференція) амплітуди коливань. Всередині глушника використовуються обидва види інтерференції. Технологія реалізована за допомогою перфораційних отворів в трубах глушника. Змінюючи розмір отворів і обсяг навколишнього трубу камери можна домогтися гасіння звукових коливань в широкому діапазоні частот.

При проходженні звукових хвиль через спеціальний звукопоглинальний матеріал відбувається їх поглинання. Даний спосіб ефективний при гасінні високочастотних звукових коливань.

Для досягнення найбільшого ефекту дані технології в глушники використовуються, як правило, в комплексі.

У сучасних автомобілях встановлюється від одного до п'яти глушників, в основному - два. Для кожної конкретної моделі автомобіля і марки двигуна використовується свій набір глушників.

Резонатор служить для попереднього зниження рівня шуму і гасіння пульсацій потоку відпрацьованих газів. Конструктивно резонатор являє собою перфоровану трубу, поміщену в металевий корпус. Для підвищення ефективності гасіння коливань в трубі виконується дросельний отвір.

Основний глушник забезпечує остаточне шумозаглушення. Він має більш складну конструкцію. В металевому корпусі розміщується кілька перфорованих трубок. Корпус розділений перегородками на 2-4 камери. Деякі камери можуть заповнюватися звукопоглинальним матеріалом. В основному глушнику потік відпрацьованих газів багаторазово змінює свій напрямок (лабіринтовий глушник).