Что необходимо знать о турбокомпрессорах

Что необходимо знать о турбокомпрессорах

Многие нагнетатели попадают в категорию объемного типа, однако чаще их называют нагнетателями Рутс. Нагнетатель объемного типа перемещает определенный объем воздуха из нагнетателя в двигатель при каждом обороте, который он совершает. Поэтому, если мы установили нагнетатель объемом 100 см³ на двигатель объемом 1500 см³ и заставили его вращаться со скоростью в 1,5 раза выше частоты вращения двигателя, нагнетатель теоретически будет перемещать воздух объемом 1500 см³ в двигатель при каждом обороте двигателя. Так как четырехтактные двигатели заполняют только половину своих цилиндров при каждом обороте, 750 см³ в данном случае, нагнетатель будет поставлять двойной объем воздуха, необходимого двигателю. Поэтому теоретически давление наддува на уровне моря будет составлять 1,014 бар.

Технические характеристики кулачков распредвала влияют на давление наддува

На практике все будет совсем не так. При низкой частоте вращения двигателя утечка между роторами, а также между роторами и нижним картером будет намного значительнее. К тому же длительность открытия клапанов и угол перекрытия также будут оказывать некоторое влияние. Взаводском исполнении угол перекрытия кулачков достаточно маленький, поэтому при низкой частоте вращения двигателя только небольшая часть впускного заряда будет выходить через открытый до сих пор выпускной клапан. Однако кулачки гоночных автомобилей могут иметь угол перекрытия до 100°, а выпускной и впускной клапаны, возможно, будут открыты на 6–8мм в верхней мертвой точке, большая часть нагнетенного воздуха будет выходить через выпускной клапан при низкой частоте вращения двигателя.

При высокой частоте вращения двигателя ситуация изменится. Утечка все равно будет иметь место в нагнетателе, но эта утечка по сравнению сувеличением объема воздуха в нагнетателе будет на самом деле уменьшаться. То же самое будет происходить во время периода перекрытия клапанов. Импульсы давления, образующиеся во впускном и выпускном каналах, будут ограничивать попадание впускного заряда в систему выпуска отработанных газов. Меньшее количество впускного заряда означает увеличение давления в цилиндрах и впускном коллекторе, ауказатель давления наддува расценивает этот сигнал в качестве увеличения давления наддува.

Что это значит на практике для нашего двигателя объемом 1500 см³ На самом деле технические характеристики кулачков распредвала будут играть главную роль в определении давления наддува после выбора передаточного числа нагнетателя. В данном примере давление наддува может приблизиться к теоретическому значению 1,0014 бар при частоте вращения 6000–7000 об/мин с оригинальным распредвалом, но вероятнее, что оно будет на 0,07–0,1 бар ниже. При использовании распредвала для гоночных автомобилей вряд ли давление наддува увеличится до 0,76 бар, более того, оно может снизиться до 0,55 бар (эмпирическое правило гласит, что давление наддува будет уменьшаться примерно на 4-5% от абсолютного значения при увеличении угла перекрытия клапанов на 10°). Верхняя кривая на рис. 9.1 отображает давление наддува, которое будет в нашем двигателе объемом 1500 см³ при использовании распредвала с гоночного автомобиля. Для сравнения на графике также показано давление наддува для того же нагнетателя объемом 100 см³ с увеличением частоты вращения на 15% и 37% по отношению к частоте вращения двигателя.

Многие из вас могут прийти к поспешному выводу, что кулачки с закругленным профилем больше подходят для двигателей, оснащенных нагнетателями, так как мы хотим увеличить давление наддува. Как уже говорилось в предыдущих главах, значение давления наддува можно считать скорее нечетким указанием, если говорить о потенциале технических характеристик двигателя. Если нагнетатель приводится в действие при высокой частоте вращения или высоком давлении наддува, его эффективность падает. Температура воздуха повышается. Увеличение температуры означает снижение плотности впускного заряда, который попадает в цилиндры. Чтобы понять, к чему я веду, представьте, что мы заполнили стальной цилиндр воздухом, закрыли отверстие и нагреваем цилиндр до температуры на 100°С выше температуры окружающей среды. Давление вцилиндре увеличится с 0 до 0,34 бар! И хотя внутри количество воздуха не увеличивалось, давление возросло просто из-за увеличения температуры. Если мы используем кулачки распредвала с закругленным профилем, ситуация будет примерно такой же, но, чтобы лучше понять, давайте посмотрим на двигатель с одним цилиндром. При использовании кулачка с закругленным профилем впускной клапан закрывается слишком рано, поэтому воздуху, вышедшему из нагнетателя, некуда деться. Он остается между нагнетателем и задней частью впускного клапана, поэтому давление наддува будет возрастать. По мере увеличения давления воздух пытается вернуться обратно в нагнетатель, не выпуская следующие порции воздуха, которые должны направляться в двигатель (подумайте о поднимающейся волне, которая сдерживает поток реки при впадении в океан). Этот конфликт снижает эффективность компрессора и поднимает температуру впускного заряда. Впускной заряд с более высокой температурой уменьшает плотность в цилиндрах, следовательно, вероятность возникновения детонации и снижение мощности.

С кулачками с гоночного двигателя цилиндры имеют больше времени, чтобы поглотить заряд из нагнетателя. Это означает, что давление наддува падает, так как большее количество воздуха из нагнетателя попадает в цилиндр, а не остается во впускном канале около клапана. Поэтому вмомент закрытия впускного клапана давление в цилиндре намного точнее отражает реальное давление наддува, то есть при использовании кулачков с закругленным профилем давление в цилиндрах будет намного ниже, чем давление наддува.

Рис. 9.1. Нагнетатель Рутс объемом 1000 см³ обеспечит соответствующее давление наддува для двигателя объемом 1500см³ с распредвалом со спортивного автомобиля.

Нагнетатель Рутс SC12 Toyota имеет ограничение частоты вращения 11000 об/мин. Он перемещает 1,2 л воздуха за каждый оборот и устанавливается на четырехцилиндровый двигатель объемом 1,6 л (4A-GZE) имощностью 162 л.с. Обратите внимание на электромагнитный приводной шкив.

Ситуация с потерями впускного заряда при использовании кулачков с менее закругленным профилем во время периода перекрытия двоякая. Конечно же, топливо будет проходить прямо в систему выпуска отработанных газов. Также при низкой частоте вращения мощность двигателя сократится, так как часть заряда, выходящего из нагнетателя, будет проходить через выпускной клапан, не вырабатывая мощность. Не забывайте, что нагнетатель потреблял мощность, нагнетая воздух в двигатель, поэтому потери мощности удваиваются. Однако все не так уж плохо, потому что при более высокой частоте вращения двигателя импульсы давления в системах впуска и выпуска сокращают продольный поток. Поэтому некоторые потери мощности в системе выпуска имеют и положительные стороны, так как при этом все оставшиеся выхлопные газы удаляются из цилиндров, оставляя больше пространства для новой порции топливовоздушной смеси. Кроме того, этот поток понижает температуру, особенно это касается днища поршня и выпускного клапана. Это значительно снижает вероятность возникновения раннего зажигания и детонации. Более низкая температура компонентов двигателя означает, что меньшее количество тепла будет передаваться впускному заряду. В свою очередь впускной заряд более низкой температуры занимает меньше объема, позволяя нагнетателю нагнетать больше воздуха в цилиндры, увеличивая плотность заряда и мощность (рис. 9.2).

Рис. 9.2. При низкой частоте вращения двигателя период перекрытия клапанов позволяет впускному заряду проходить через выпускной клапан.

Размер нагнетателя и эффективность

Если вы вернетесь к рис. 9.1, у вас может сложиться впечатление, что размер нагнетателя не имеет большого значения, так как вы можете просто вращать его быстрее и увеличивать объем воздуха, который будет нагнетаться в двигатель. Это не совсем так. Нагнетатели всех типов и размеров имеют диапазон интенсивности потока и давления, в котором они работают наиболее эффективно. За пределами этого диапазона эффективность начинает резко падать, что означает увеличение температуры впускного заряда, при этом увеличение интенсивности потока будет незначительным.

На рис. 9.3 вы можете увидеть, что этот большой нагнетатель работает наиболее эффективно при 59%, перемещая примерно 21,7–31,7 кг воздуха вминуту при коэффициенте давления 1,38–1,55. За пределами полезного диапазона эффективность падает. Обратите внимание на увеличение температуры впускного заряда при увеличении давления наддува, а также на потребляемую мощность для приведения нагнетателя в действие при высокой интенсивности потока воздуха.

В главе2 мы обсуждали преимущества шнекового нагнетателя Лисхольма и центробежного нагнетателя, касающиеся потребления мощности двигателя и более высокой рабочей эффективности, что позволяет создавать впускной заряд более низкой температуры. Поэтому, хотя при давлении наддува 0,48–0,68 бар нагнетатели Рутс работают нормально, их эффективность значительно ухудшается при давлении наддува 0,96–1,014 бар. При этом нагнетатели Лисхольма и центробежные нагнетатели будут работать эффективно при давлении наддува до 2,76 бар, хотя, как говорилось ранее, центробежный нагнетатель не способен создавать необходимое давление наддува при низкой частоте вращения двигателя, как все остальные типы нагнетателей.

Еще одним преимуществом шнекового и центробежного нагнетателей является их объемная пропускная способность. Они обычно более компактны, чем нагнетатели Рутс. Шнековые нагнетатели Лисхольма с высокой пропускной способностью и мощностью до 800 л.с. могут разместиться под впускным коллектором, в области между верхними распредвалами в V-образном двигателе. Сам нагнетатель виден не будет – только шкив и приводной ремень будут на виду.

Рис. 9.3. График технических характеристик нагнетателя Рутс демонстрирует эффективность нагнетателя, увеличение температуры впускного заряда и мощность, необходимую для приведения нагнетателя вдействие.