Что такое безнадувные двигатели

Способ подачи топлива в безнаддувный дизельный двигатель с неразделенной камерой сгорания

Номер патента: 1726834

Текст

(51)5 Г КОМИТЕТИ ОТКРЫТИЯМ ПИСАНИЕ И РЕТЕНИЯ КОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВ К АВТ Й КАМЕРОЙ С НЕРАЗДЕЛЕНННИЯ(57) Использованигателей внутреннизобретения:спасрудованного допсгорания и термохзаключается в томванного в термохиравномерно изменходу до 3% при повоздуха на дизель.) е: питание топлив его сгорания. Су об питания дизеля олнительной кам имическим реакт , что подачу конв мическом реакто яют от 16% на хо лной нагрузке от р шение экономичнего сгорания пува в продуктах я теплотехника, т. др. Повь внутрен топли ыщленна 02 В 43/08, 1978.ОДАЧИ ТОПЛИВА В БЕ ИЗЕЛЬНЫЙ ДВИГАТЕЛ ГОСУДА Р СТВ Е ННПО ИЗОБРЕТЕНИПРИ ГКНТ СССР СОЮЗ СОВЕТСКИХСОЦИАЛИСТИЧЕСКИХРЕСПУБЛИК(19) (11) ом двищность 1, обоерой 5 ором 3, ертироре газа лостом всхода10 30 Изобретение относится к двигателестроению, а именно к способам питания многотопливных дизелей.Известны способы питания дизелей путем впрыска основной части топлива непосредственно в цилиндры и подачи дополнительного топлива на конверсию в термохимический реактор с последующей подачей конвертированного топлива (КТ) в дизель через всасывающий трубопровод,Наиболее близким к предлагаемому является способ питания дизеля путем впрыска основной части топлива непосредственно в цилиндры и подачи первой порции дополнительного топлива в дополнительную камеру сгорания, где она сгорает при постоянном коэффициенте избытка воздуха, а образующиеся продукты полного сгорания поступают в каталитический реактор, куда подают вторую порцию дополнительного топлива, которая реагирует с продуктами. сгорания и в результате образуется КТ, которое поступает в дизель через всасывающий трубопровод,Однако подачу КТ через всасывающий трубопровод ведут постоянно на всех нагрузках, что приводит к ухудшению экономичности и увеличению токсичности отработанных газов при нагрузках от 0 до 75 от номинальной. Цель изобретения — уменьшение расхода топлива с одновременным снижением токсичности отработанных газов дизеля.Указанная цель достигается тем, что количество КТ, подаваемого в дизель, равномерно изменяют от 16;( на холостом ходу до Зф при 100%-ной нагрузке от расхода воздуха на дизель.Сущность способа заключается в том, что при работе дизеля основная часть топлива подается непосредственно в цилиндоы, первая порция дополнительного топлива подается форсункой в дополнительную камеру сгорания, куда также через регулирующий орган поступает воздух, воспламеняясь от постороннего источника, например от свечи зажигания, топливо сгорает при постоянном значении коэффициента избытка воздуха а с образованием продуктов полного сгорания согласно реак- ции 2 СхНу+(2 х+0,5 у)02= 2 хС 02+у Н 20+ 01, (1) где 01 — тепловой эффект реакции горения(1).Продукты полного сгорания поступаютв реакционную камеру термохимического 35 40 45 50 55 реактора (ТХР), куда форсункой впрыскивается вторая порция дополнительного топлива. Распыленное топливо реагирует с продуктами сгорания с образованием КТ;2 СхНу+хН 20+хС 02 = (х+у)Н 2+ЗхС 0-02, (2) где 02 — тепловой эффект эндотермической реакции восстановления углеводородного топлива собственными продуктами сгорания.Состоящее из Н 2 и СО КТ через охлади- тель поступает в смеситель, где смешивается с воздухом и подается в цилиндры дизеля, Изменение расхода КТ в соответствии с изменением нагрузки на дизель производят путем изменения расхода воздуха и первой порции дополнительного топлива, сохраняя при этом неизменным а в дополнительной камере сгорания, и пропорционального изменения расхода второй порции дополнительного топлива в реакционной камере ТХР. Таким образом, в дополнительной камере сгорания изменяется количество конечных продуктов сгорания НгО и С 02, а так как изменение расхода второй порции дополнительного топлива пропорционально изменению последних, то в соответствии с химической реакцией (2) происходит пропорциональное изменение расхода КТ в соответствии с изменением нагрузки на дизель. Регулирующие органы подачи воздуха, а также первой и второй порции дополнительного топлива через исполнительные механизмы связаны с электронным блоком, который в соответствии с изменением нагрузки на дизель выдаетуправляющие сигналы на исполнительные механизмы, тем самым управляя регулирующими органами,На фиг,1 представлены графики изменения расхода топлива Вт в зависимости от расхода КТ Чкт дизеля 6 Ч 15/18 для различных нагрузочных режимов; на фиг.2 — система питания дизеля, реализующего предлагаемый способ,Система питания дизеля 1 содержит дополнительную камеру 2 сгорания, термохимический реактор 3 с кожухом 4, топливный бак 5 дополнительного топлива и топливный насос 6. Камера 2 сгорания соединена, с одной стороны, через регулирующий вентиль с электромагнитным приводом 7 со всасывающим трубопроводом 8 дизеля 1, с другой, через кожух реактора 4 трубопроводом 9 с камерой 3 реактора, последняя трубопроводом 10 через охладитель 11 соединена со смесителем 12, В камере 2 и трубопроводе 9 установлены форсунки 13 и 14, соединенные топливопроводами через вентили с электромагнитным приводом 15 и1726834 оставитель В.Саиданоехред М,Моргентал ректор Т.М Редактор Т,Лазорен Тираж Подписноерственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ С 113035, Москва, Ж, Раушская наб., 4/5 аказ 1265 ВНИИПИ Го роизводственно-издательский комбинат «Патент», г, Ужгооод. чл. Гагаои 16 с топливным насосом 6, который имеет байпасную линию с вентилем 17. Вентили 7, 15-17, имеют привод от электронного блока 18 управления (БУ), реагирующего на изменение нагрузки на дизель. 51 Регулирование количества КТ с измене- . нием нагрузки на двигатель происходитследующим образом. При изменении нагрузочного режима дизеля с БУ 18 посту пают сигналы на электромагнитные вентили 7, 15-17, изменяя расходы воздуха и первой порции дополнительного топлива в камере 2, сохраняя одно и то же значение коэффициента избытка воздуха, при котором про исходит полное сгорание до конечных продуктов, тем самым изменяя количество продуктов сгорания НрО и СОг но, сохраняя неизменным их состав, одновременно изменяя и расход второй порции дополни тельного топлива, поступающего в камеру 3 реактора в соответствии с изменением расхода продуктов сгорания СО 2 и Н 20, дости-. гают изменения расхода КТ в соответствии с нагрузкой дизеля,Формула изобретения Способ подачи топлива в безнаддувный дизельный двигатель с неразделенной камерой сгорания, заключающийся в том, что подают часть топлива в цилиндры двигателя, подают первую часть дополнительного топлива в дополнительную камеру сгорания в смеси с окислителем и сжигают его, полученный газ в смеси со второй частью дополнительного топлива и окислителя подают в термохимический реактор и сжигают его, а полученный в результате сжигания конвертированный газ подают в цилиндры двигателя, о т л и ч а ю щ и й с я тем, что, с целью повышения эффективности путем повышения топливной экономичности, количество конвертированного газа, подаваемого в цилиндры двигателя, изменяют от 16 на холостом ходу до 3 при полной нагрузке от суммарного расхода окислителя на двигатель.

Заявка

ПУШКИНСКОЕ ВЫСШЕЕ ВОЕННОЕ ИНЖЕНЕРНОЕ СТРОИТЕЛЬНОЕ УЧИЛИЩЕ

САЙДАНОВ ВИКТОР ОЛЕГОВИЧ, СКЛЯРЕНКО ЕВГЕНИЙ ВАЛЕНТИНОВИЧ

—>Автозапчасти и СТО —>

Для более ясного представления о том, как работает турбина в автомобиле, прежде всего необходимо ознакомится с принципом работы двигателя внутреннего сгорания. Сегодня, основная масса грузовых и легковых автомобилей оснащаются 4-х тактными силовыми агрегатами, работа которых контролируется впускными и выпускными клапанами.

Каждый из рабочих циклов такого двигателя состоит из 4 тактов, при которых коленвал делает 2 полных оборота.

Впуск — при этом такте осуществляется движение поршня вниз, при этом в камеру сгорания поступает смесь топлива и воздуха (если это бензиновый двигатель) или только воздуха в случае если это дизельный агрегат.

Компрессия — при этом такте происходит сжатие горючей смеси.

Расширение — на этом этапе происходит воспламенение горючей смеси при помощи искры, вырабатываемой свечами. В случае с дизельным двигателем, воспламенение осуществляется произвольно под действием высокого давления впрыска.

Выпуск — поршень двигается вверх, при этом освобождаются выхлопные газы.

Такой принцип работы двигателя определяет следующие способы повышения его эффективности:

— Установка турбонаддува
— Увеличение рабочего объёма двигателя
— Увеличение числа оборотов коленчатого вала двигателя

Как работает турбина в автомобиле?

Увеличение рабочего объёма двигателя

Увеличение объёма двигателя возможно двумя путями: либо увеличением объема камер сгорания, либо — увеличением количества цилиндров в силовом агрегате. Однако такой способ повышения мощности не совсем оправдан, так как имеет ряд недостатков, среди которых: повышенный расход топлива.

Увеличение числа оборотов коленчатого вала двигателя

Еще один возможный способ повышения производительности двигателя заключается в увеличении числа оборотов коленчатого вала. Это достигается путем увеличения количества ходов поршня за единицу времени. Но использование такого способа имеет жесткие ограничения, которые обусловлены техническими возможностями двигателя. Кроме этого, такая модернизация приводит к падению эффективности работы силового агрегата из-за потерь при впуске и других операциях.

Турбонаддув

В двух предыдущих способах двигатель использует воздух, который поступает благодаря собственному нагнетанию. При использовании турбокомпрессора в цилиндр поступает тот же объем воздуха но с предварительным его сжатием. Это дает возможность поступлению большего количества воздуха в цилиндр, благодаря чему появляется возможность сжигания большего объема топлива. При использовании такой технологии, мощность двигателя возрастает по отношению к количеству потребляемого топлива и объему двигателя.

Охлаждение воздуха

В процессе компрессии воздух может нагреваться вплоть до 180 С. Однако воздух имеет свойство увеличения плотности при охлаждении, что дает возможность значительно увеличить объем воздуха, попадающего в цилиндр. Кроме этого, увеличение плотности воздуха существенно снижает расход топлива и количество выбросов продуктов сгорания.

Также существует два разных типа турбонаддува: турбокомпрессор, основанный на использовании энергии выхлопных газов и турбонагнетатель с механическим приводом.

Турбонагнетатель с механическим приводом

В случае использования такого типа компрессии, воздух сжимается благодаря специальному компрессору, который работает от привода двигателя. Но такой метод имеет один большой недостаток. Все дело в том, что при использовании механического турбокомпрессора часть мощность двигателя уходит на обеспечение работы самого компрессора, по этому двигатель, оборудован таким нагнетателем, имеет больший расход топлива чем обычный двигатель такой же мощности.

Турбокомпрессор основанный на использовании энергии выхлопных газов

Такой метод основан на использовании энергии выхлопных газов, которая направлена на привод турбины. При использовании такого способа отсутствует механическое соединение с двигателем, благодаря чему потери мощности не происходит.

Плюсы и минусы турбонаддува

Как уже известно читателю, турбина в автомобиле не имеет жесткой связи с коленчатым валом двигателя. По логике, подобное решение должно нивелировать зависимость оборотов турбины от частоты вращения последнего.

Тем не менее, в реальности эффективность работы турбины находится в прямой зависимости от оборотов мотора. Чем сильнее открыта дроссельная заслонка, чем больше обороты мотора, тем выше энергия выхлопных газов, вращающих турбину и, как результат, больше объем воздуха, нагнетаемого компрессором в цилиндры силового агрегата.

Собственно говоря, «опосредованная» связь между оборотами и частотой вращения турбины не через коленвал, а через выхлопные газы, приводит к «хроническим» недостаткам турбонаддувов.

Среди них – задержка роста мощности мотора при резком нажатии на педаль «газа», ведь турбине нужно раскрутиться, а компрессору – дать цилиндрам достаточную порцию сжатого воздуха. Подобное явление называют «турбоямой», то есть моментом, когда отдача мотора минимальна.

Исходя из этого недостатка сразу исходит и второй – резкий скачок давления после того, как двигатель преодолевает «турбояму». Это явление получило название «турбоподхвата».

И главной задачей инженеров-мотористов, создающих наддувные двигатели, является «выравнивание» этих явлений для обеспечения равномерной тяги. Ведь «турбояма», по своей сути, обуславливается высокой инерционностью системы турбонаддува, ведь для приведения наддува «в полную готовность» требуется определенное время.

В результате потребность в мощности со стороны водителя в конкретной ситуации приводит к тому, что мотор не способен «выдать» все свои характеристики одномоментно. В реальной жизни это, например, потерянные секунды при сложном обгоне…

Безусловно, сегодня существует ряд инженерных ухищрений, позволяющих минимизировать и даже полностью исключить неприятный эффект. В их числе:

• использование турбины с переменной геометрией;
• использование пары турбокомпрессоров, расположенных последовательно либо параллельно (так называемые схемы twin-turdo или bi-turdo);
• применение комбинированной схемы наддува.

Турбина, имеющая переменную геометрию, осуществляет оптимизацию потока выхлопных газов силового агрегата за счет изменения в режиме реального времени площади входного канала, через который они поступают. Подобная схема турбин очень распространена в турбонаддувах дизельных моторов. В частности, именно по этому принципу функционируют турбодизели Volkswagen серии TDI.

Схема с парой параллельных турбокомпрессоров используется, как правило, в мощных силовых агрегатах, построенных по V-образной схеме, когда каждый ряд цилиндров оснащен собственной турбиной. Минимизация эффекта «турбоямы» достигается за счет того, что две малые турбины имеют гораздо меньшую инерцию, нежели одна большая.

Система с парой последовательных турбин используется несколько реже двух перечисленных, но она же обеспечивает наибольшую эффективность за счет того, что двигатель оснащается двумя турбинами, обладающими различной производительностью.

То есть при нажатии на педаль «газа» в действие вступает малая турбина, а при росте скорости и оборотов подключается вторая, и они работают суммарно. При этом эффект «турбоямы» практически исчезает, а мощность нарастает планомерно сообразно ускорению и росту оборотов.

При этом многие автопроизводители используют даже не два, а три турбокомпрессора, как например компания BMW в своей схеме triple-turbo. А вот инженеры, проектировавшие суперкар Bugatti, вообще оснастили силовой агрегат сразу четырьмя последовательными компрессорами, что позволило достичь уникальных мощностных характеристик при вполне «гражданском» поведении мотора в рядовых режимах езды.

Схема так называемого комбинированного наддува или, как ее называют автопроизводители, twincharger, подразумевает совместное использование механического и турбонаддува. При малых оборотах двигателя наддув обеспечивается механическим нагнетателем, а турбина вступает в действие при увеличении числа оборотов. При этом механический нагнетатель отключается. По такой схеме работают наддувные моторы TSI компании Volkswagen.

Как видим, принципы работы турбонаддува достаточно просты и понятны. При этом сегодня автопроизводители всячески делают ставку на турбированные агрегаты малого рабочего объема, которые обеспечивают достаточную мощность при относительной экологической чистоте выхлопа.

Но не следует забывать и еще об одном серьезном недостатке – турбированный мотор испытывает гораздо большие нагрузки и, что вполне закономерно, имеет меньший моторесурс, чем безнаддувный агрегат. Соответственно, взвесив все преимущества и недостатки, и следует выбирать тот или иной силовой агрегат.

Основные преимущества двигателей с турбонаддувом

1) Турбодвигатель имеет меньшее показатели по расходу топлива нежели двигатель без турбины той же мощности и при прочих равных условиях.

2) Силовой агрегат с с турбонаддувом имеет заметно лучшие показатели соотношения веса двигателя к развиваемой им мощности.

3) Использование турбокомпрессора открывает новые возможности по оптимизации других параметров и характеристик двигателя, а также улучшения крутящего момента, что позволит избежать очень часто переключения передач при езде в пробках или гористой местности.

4) Турбодвигатели работают тише чем агрегаты такой же мощности без турбонаддува.

Как работает турбонаддув?

Характеристики двигателя внутреннего сгорания (ДВС) можно описать через его выходной крутящий момент. Крутящий момент двигателя на низких оборотах оказывает значительное влияние на управляемость автомобиля, а крутящий момент двигателя на высоких оборотах определяет максимальную скорость автомобиля и расположение передаточных чисел коробки передач.

Крутящий момент двигателя можно увеличить несколькими способами:

• повысить эффективность двигателя
• увеличить объем двигателя
• увеличить плотность всасываемого воздуха

Турбонаддув — верный метод увеличения плотности всасываемого воздуха. Это требует дополнительной работы на стороне впуска воздуха, помимо насосной работы атмосферного (безнаддувного) двигателя, чтобы нагнетать дополнительную массу воздуха в цилиндры. Эта дополнительная работа осуществляется турбонагнетателем, где турбина использует энергию выхлопных газов для вращения компрессора (крыльчатки).

Исторически нагнетатели впервые устанавливались на дизельные двигатели с воспламенением от сжатия, в основном по следующим причинам:

• удельная мощность дизельного двигателя без наддува оставляет желать лучшего
• выходная мощность дизельного двигателя ограничена дымовыделением, а добавление большего количества воздуха в цилиндр может уменьшить количество дыма
• (по сравнению с бензиновым двигателем со свечами зажигания) детонация в дизельном двигателе невозможна, поскольку топливо впрыскивается в конце цикла сжатия
• (по сравнению с бензиновым двигателем со свечами зажигания) дизельные двигатели дороже в производстве, поэтому стоимость турбокомпрессора меньше влияет на общую стоимость двигателя.

На двигателе внутреннего сгорания с искровым зажиганием (бензиновом) основной причиной установки турбонагнетателя является увеличение выходного крутящего момента / мощности за счет ограниченной (объемной) мощности двигателя. Основным ограничением бензинового двигателя с турбонаддувом с точки зрения того, насколько может повыситься давление наддува, является детонация в двигателе. Дополнительный воздух для наддува внутри цилиндров вызывает значительное повышение температуры топливовоздушной смеси в конце сгорания, что может привести к детонации в двигателе. Для предотвращения детонации двигатели с турбонаддувом обычно имеют более низкую степень сжатия, чем двигатели без наддува (атмосферные).

Турбонаддув можно охарактеризовать как особый метод наддува, при котором энергия горячих выхлопных газов используется для привода компрессора всасываемого воздуха. Преимущество заключается в том, что энергия выхлопных газов не тратится впустую, а используется для работы компрессора.

Когда турбина помещается в выпускной коллектор, давление выхлопных газов увеличивается перед турбиной. Это заставляет двигатель потреблять больше энергии для удаления сгоревших газов из цилиндров во время такта выпуска. Турбина преобразует поток и тепловую энергию выхлопных газов в энергию сжатия. Следовательно, рост давления всасываемого воздуха больше, чем рост давления выхлопных газов, а это означает, что суммарный КПД двигателя увеличивается.

Автомобильные турбокомпрессоры состоят из четырех основных частей:

• корпус компрессора
• основной (центральный) корпус
• корпус турбины
• привод перепускной заслонки

Корпус компрессора (обычно изготовленный из алюминия) содержит компрессор с осевым входом и радиальным выходом (также известный как рабочее колесо). Корпус турбины содержит турбину с радиальным притоком и осевым выпуском, соединенную с компрессором через вал.

Скорость турбокомпрессорного агрегата может легко достигать 120 000 об / мин или даже 300 000 об / мин. Чтобы выдерживать такие высокие скорости, вал вращается в подшипниках скольжения с гидродинамической масляной пленкой с низким коэффициентом трения, которые размещены в основном (центральном) корпусе.

Подшипники скольжения бывают двух типов: радиальные и осевые. Обычно это два радиальных подшипника (втулка) и один упорный подшипник (упорный). Подшипники имеют смазочные каналы, которые позволяют маслу проникать внутрь подшипников и образовывать гидродинамическую масляную пленку между подшипником и валом. Такие подшипники также называются полностью плавающими. Цепь смазки турбонагнетателя подключена к основной системе смазки двигателя внутреннего сгорания.

Температура масла может широко варьироваться от минимальной (например, -30 ° C) до номинальной рабочей температуры двигателя (около 90 ° C). Для обеспечения потока масла для охлаждения в любых температурных условиях необходимо обеспечить зазор между подшипниками и валом.

где: 1 — колесо компрессора, 2 — осевой (упорный) подшипник, 3 — радиальные (втулочные), 4 — подшипники, 5 — вал, 6 — колесо турбины.

Подшипники турбокомпрессора могут быть подшипниками скольжения (как на картинке выше) или роликоподшипниками. Турбокомпрессоры, работающие на выхлопных газах, с роликоподшипниками более эффективны, чем на подшипниках скольжения, имеют лучшие переходные характеристики (они ускоряются быстрее) и могут обеспечивать более высокое давление наддува при частичных нагрузках двигателя. Основными недостатками роликоподшипников являются надежность при длительной эксплуатации и акустические характеристики (более шумный). Роликовые подшипники в основном используются в высокопроизводительных турбокомпрессорах для мотоспорта.

Подшипники могут работать нормально, если температура выхлопных газов ниже 800 ° C, охлаждения масла достаточно для поддержания нормальных условий работы. На бензиновых двигателях, где температура выхлопных газов может превышать 1000 ° C, необходим центральный (подшипниковый) корпус с водяным охлаждением.

Корпус сердечника также содержит некоторые уплотнительные элементы, которые предотвращают попадание масла в выпускной или впускной коллектор, а также максимально сокращают попадание всасываемого воздуха и выхлопных газов (картерных газов).

Компрессор состоит из крыльчатки с осевым притоком и радиальным выпуском (крыльчатки компрессора) и литого алюминиевого корпуса. Во избежание утечки воздуха между компрессором и корпусом зазор должен быть минимальным.

Рабочее колесо компрессора (крыльчатка) обычно изготавливается из литого алюминиевого сплава. В современных турбокомпрессорах рабочее колесо фрезеровано из алюминиевого сплава. Во избежание помпажа компрессора (реверсирования воздушного потока при закрытии дроссельной заслонки) корпус компрессора оборудован продувочным (отрывным) клапаном.

В некоторых коммерческих транспортных средствах с очень долгим сроком службы компонентов крыльчатка компрессора (крыльчатка) фрезерована из титанового сплава.

Компрессоры бензиновых двигателей с турбонаддувом имеют продувочные (выталкивающие) клапаны, которые должны предотвращать скачки давления при резком падении нагрузки на двигатель (например, дроссельная заслонка переходит из полностью открытого в полностью закрытое положение за очень короткое время). Большинство современных продувочных клапанов имеют электрический привод, а события открытия и закрытия контролируются модулем управления трансмиссией (PCM).

Сторона турбины нагнетателя состоит из:

1. Диффузора.
2. Корпуса.
3. Крыльчатки.
4. Перепускной заслонки для отработанных газов.

Назначение диффузора — ускорить поток выхлопных газов и равномерно распределить его по лопаткам (колесу) турбины. Диффузор встроен в спиральный корпус турбины.

Корпус турбины должен выдерживать очень высокие температуры и сделан из высоколегированного чугуна. В зависимости от типа повышения давления выхлопных газов существует два типа кожуха турбины:

• Корпус импульсного наддува
• Корпус постоянного давления

В случае импульсного наддува трубы выхлопных газов, идущие от каждого цилиндра, проходят отдельно в корпус турбины. Корпус турбины спроектирован таким образом, чтобы максимально предотвращать смешивание потоков выхлопных газов перед входом в рабочее колесо турбины.

В случае наддува постоянного давления из выхлопных труб всех цилиндров, выхлопные трубы подключены к выпускному коллектору большого объема, который отфильтровывает отдельные импульсы давления.

Стандартное колесо турбины имеет радиально-впускную и осевую конструкции. Поскольку турбинное колесо должно работать в условиях очень высоких температур, оно изготовлено из стального сплава, содержащего большое количество никеля.

Чтобы минимизировать турболаг (задержку разгона двигателя), момент инерции массы компрессорного колеса, турбинного колеса и вала должен быть как можно меньше. По этой причине исследуются высокопрочные материалы с низкой плотностью для использования в будущих турбокомпрессорах.

Где: 1 — корпус компрессора, 2 — колесо компрессора (крыльчатка), 3 — пневматический привод, 4 — центральный (подшипниковый) корпус, 5 — рычаг управления перепускным клапаном, 6 — перепускной клапан, 7 — корпус турбины, 8 — колесо турбины.

Давление наддува регулируется путем регулирования количества выхлопных газов, проходящих через турбинное колесо. Поток выхлопных газов в турбине регулируется перепускным клапаном, который может приводиться в действие пневматическим или электрическим приводом.

Подача воздуха для управления пневматическим блоком перепускной заслонки может осуществляться за счет самого давления наддува или за счет давления вакуума (от вакуумного насоса автомобиля). Недостатком использования давления наддува является то, что управление перепускным клапаном зависит от нагрузки двигателя (давления наддува). С помощью вакуумного насоса давление наддува можно регулировать независимо от рабочего состояния двигателя.

Последние технологии турбокомпрессоров предусматривают прямое электрическое включение перепускной заслонки. Это обеспечивает более быстрое и точное срабатывание перепускной заслонки независимо от оборотов двигателя.

Высокопроизводительные турбокомпрессоры — EFRTM от BorgWarner

Где: 1 — колесо компрессора, 2 — колесо и вал турбины Gamma-Ti, 3 — корпус турбины из нержавеющей стали, 4 — перепускной клапан с высоким расходом, 5 — задний диск турбины, 6 — двухрядный шарикоподшипник с керамическими шариками и металлическим сепаратором, 7 — корпус компрессора, 8 — встроенный клапан рециркуляции компрессора (CVR), 9 — электромагнитный клапан управления наддувом (BCSV), 10 — датчик скорости.

Турбокомпрессор Continental RAAX

RAAXTM (что означает «радиально-осевой») — это новый турбокомпрессор Continental с наиболее важной инновацией в конструкции турбины. В отличие от наиболее распространенного на сегодняшний день типа бензиновых турбонагнетателей, радиального турбонагнетателя, который имеет радиальный впуск выхлопных газов, новый турбокомпрессор Continental имеет радиально-осевой (полурадиальный / полуосевой) впускной канал.

Соответствующая специальная конструкция лопастей позволяет примерно на 40% снизить крутящий момент инерции турбинных колес. Это означает, что турбокомпрессор быстрее реагирует на изменения нагрузки двигателя, поэтому давление наддува создается быстрее, а турбо задержка сводится к минимуму. В дополнение к этому значительному улучшению реакции, технология RAAXTM также приводит к повышению эффективности до 3% в соответствующем рабочем диапазоне двигателя, что приводит к снижению выбросов.

Avto-Science.ru

Наддув двигателя TSI

Двигатель TSI (Turbo Stratified Injection, дословно — турбонаддув и послойный впрыск) объединяет последние достижения конструкторской мысли – непосредственный впрыск топлива и турбонаддув.

Концерн Volkswagen разработал и предлагает на своих автомобилях линейку двигателей TSI, различающихся по конструкции, объему двигателя, мощностным показателям. В конструкции двигателей TSI производителем реализовано два подхода:

• двойной наддув;
• турбонаддув.

Аббревиатура TSI является запатентованным товарным знаком концерна Volkswagen.

Двойной наддув двигателя TSI

Двойной наддув осуществляется в зависимости от потребности двигателя двумя устройствами: механическим нагнетателем и турбокомпрессором. Комбинированное применение данных устройств позволяет реализовать номинальный крутящий момент в широком диапазоне оборотов двигателя.

В конструкции двигателя используется механический нагнетатель типа Roots. Он представляет собой два ротора определенной формы, помещенных в корпус. Роторы вращаются в противоположные стороны, чем достигается всасывание воздуха с одной стороны, сжатие и нагнетание – с другой. Механический нагнетатель имеет ременной привод от коленчатого вала. Привод активизируется с помощью магнитной муфты. Для регулировки давления наддува параллельно компрессору установлена регулировочная заслонка.

На двигателе TSI с двойным наддувом установлен стандартный турбокомпрессор. Охлаждение наддувочного воздуха осуществляется интеркулером воздушного типа.

Эффективную работу двойного наддува обеспечивает система управления двигателем. Для этого в конструкцию системы включены дополнительные элементы, в том числе:

• датчик давления во впускном трубопроводе;
• датчик давления наддува;
• датчик давления во впускном коллекторе;
• потенциометр регулирующей заслонки.

• магнитная муфта;
• серводвигатель регулирующей заслонки;
• клапан ограничения давления наддува;
• клапан рециркуляции турбокомпрессора.

Датчики отслеживают давление наддува в различных местах системы: после механического нагнетателя, после турбокомпрессора и после интеркулера. Каждый из датчиков давления объединен с датчиками температуры воздуха.

Магнитная муфта включается по сигналам блока управления двигателем, при которых на магнитную катушку подается напряжение. Магнитное поле притягивает фрикционный диск и замыкает его со шкивом. Механический компрессор начинает вращаться. Работа компрессора производится до тех пор, пока на магнитную катушку подается напряжение.

Серводвигатель поворачивает регулирующую заслонку. При закрытой заслонке весь всасывающий воздух проходит через компрессор. Регулирование давления наддува механического компрессора производится путем открытия заслонки. При этом часть сжатого воздуха подается снова в компрессор, а давление наддува снижается. При неработающем компрессоре заслонка полностью открыта.

Клапан ограничения давления наддува срабатывает, когда энергия отработавших газов создает избыточное давление наддува. Клапан обеспечивает работу вакуумного привода, который в свою очередь открывает перепускной клапан. Часть отработавших газов идет мимо турбины.

Клапан рециркуляции турбокомпрессора обеспечивает работу системы на принудительном холостом ходу (при закрытой дроссельной заслонке). Он предотвращает создание избыточного давления в промежутке между турбокомпрессором и закрытой дроссельной заслонкой.

Принцип работы двойного наддува двигателя TSI

В зависимости от частоты вращения коленчатого вала двигателя (нагрузки) различают следующие режимы работы системы двойного наддува:

• безнаддувный режим (до 1000 об/мин);
• работа механического нагнетателя (1000-2400 об/мин);
• совместная работа нагнетателя и турбокомпрессора (2400-3500 об/мин);
• работа турбокомпрессора (свыше 3500 об/мин).

На холостых оборотах двигатель работает в безнаддувном режиме. Механический нагнетатель выключен, регулирующая заслонка открыта. Энергия отработавших газов невелика, турбокомпрессор не создает давления наддува.

С ростом числа оборотов, включается механический нагнетатель и закрывается регулирующая заслонка. Давление наддува, в основном, создает механический нагнетатель (0,17 МПа). Турбокомпрессор обеспечивает небольшое дополнительное сжатие воздуха.

При частоте вращения коленчатого вала двигателя в пределе 2400-3500 об/мин давление наддува создает турбокомпрессор. Механический нагнетатель подключается при необходимости, например, при резком ускорении (резком открытии дроссельной заслонки). Давление наддува может достигать 0,25 МПа.

Далее работа системы осуществляется только за счет турбокомпрессора. Механический нагнетатель выключен. Регулирующая заслонка открыта. Для предотвращения детонации с ростом числа оборотов давление наддува несколько падает. При частоте вращения 5500 об/мин оно составляет порядка 0,18 МПа.

Турбонаддув двигателя TSI

В данных двигателях наддув осуществляется исключительно турбокомпрессором. Конструкция турбокомпрессора обеспечивает достижение номинального крутящего момента уже при низких оборотах двигателя и поддержание его в широком пределе (от 1500 до 4000 об/мин). Выдающиеся характеристики турбокомпрессора получены за счет максимального снижения инерции вращающихся частей: уменьшен наружный диаметр рабочего колеса турбины и компрессора.

Регулирование наддува в системе традиционно осуществляется с помощью перепускного клапана. Клапан может иметь пневматический или электрический привод. Работу пневматического привода обеспечивает электромагнитный клапан ограничения давления наддува. Электрический привод представлен электрическим направляющим устройством, состоящим из электродвигателя, зубчатой передачи, рычажного механизма и датчика положения устройства.

В двигателе с турбонаддувом, в отличие от двойного наддува, используется жидкостная система охлаждения наддувочного воздуха. Она имеет независимый от системы охлаждения двигателя контур и образует с ней двухконтурную систему охлаждения. Система охлаждения наддувочного воздуха включает: охладитель наддувочного воздуха, насос, радиатор и систему трубопроводов. Охладитель наддувочного воздуха размещен в впускном коллекторе. Охладитель состоит из алюминиевых пластин, через которые проходят трубы системы охлаждения.

Охлаждение наддувочного воздуха производится по сигналу блока управления двигателем включением насоса. Поток нагретого воздуха проходит через пластины, отдает им тепло, а те, в свою очередь, отдают его жидкости. Охлаждающая жидкость движется по контуру с помощью насоса, охлаждается в радиаторе и далее по кругу.