Преимущества и недостатки турбонаддува

По сравнению с атмосферными (без турбо­наддува) двигателями такой же мощности основными преимуществами двигателей с турбонаддувом являются меньшая масса и габариты. Также значительно лучше проте­кание характеристики турбонаддувного двигателя по крутящему моменту во всём диапазоне скоростных режимов, что хо­рошо видно при сопоставлении кривых 4 и 3 на графике рис. 17. В общем, при данной частоте вращения это приводит к увеличе­нию мощности двигателя (А -> В). Из-за более благоприятной внешней ско­ростной характеристики крутящего мо­мента двигатель с турбонаддувом разви­вает такую же, как и двигатель без турбо­наддува, мощность при меньшей частоте вращения (точки В и С, соответственно). В результате расход топлива оказывается меньше, несмотря на то, что степень сжа­тия в двигателе с турбонаддувом несколько меньше.

Недостатком двигателей с турбонаддувом является более низкий крутящий момент на очень малой частоте вращения. В таком скоростном диапазоне для привода тур­бины не хватает энергии отработавших га­зов двигателя. На переходных режимах (режим разгона) протекание кривой кру­тящего момента также менее благоприятно по сравнению с двигателем без турбонад­дува (кривая 5). Причиной этого является задержка в нарастании расхода отработав­ших газов, а также инерция ротора турбо­компрессора. На режимах разгона это при­водит к появлению «турбоямы», то есть задержки в нарастании давления наддува. Появление «турбоямы» может быть мини­мизировано использованием динамичес­кого наддува, что улучшает характеристику в начале разгона. Существует ряд других вариантов, в том числе применение элект­родвигателя для привода турбокомпрес­сора или дополнительного компрессора с электроприводом. Эти меры позволяют ус­корить разгон колеса компрессора и, соот­ветственно, расход воздуха, и тем самым исключить появление «турбоямы».

Рис. 17 Внешние скоростные характеристики мощности и крутящего момента двигателя с турбонаддувом по сравнению с характеристиками атмосферного двигателя (без наддува)

 

1. Характеристики атмосферного двигателя на установившихся режимах

2. Характеристики двигателя с тур­бонаддувом на установившихся режимах

3. Кривая крутя­щего момента двигателя с тур­бонаддувом на режиме разгона

(неустановив­шийся режим)

Промежуточное охлаждение наддувочного воздуха

В процессе сжатия в компрессоре воздух нагревается, но поскольку тёплый воздух имеет меньшую плотность, чем холодный, такое повышение температуры отрица­тельно сказывается на наполнении цилин­дров. Следовательно, сжатый горячий воз­дух должен быть охлаждён в промежуточ­ном охладителе воздуха. Промежуточное охлаждение воздуха увеличивает заряд ци­линдров и, таким образом, повышает кру­тящий момент и мощность двигателя. Понижение температуры сжатого воздуха ведёт также к снижению температуры све­жего заряда в цилиндрах, что даёт следую­щие преимущества:

• Снижение склонности двигателя к дето­
нации;

• Повышение термического КПД и, следо­вательно, уменьшении расхода топлива;

• Снижение термической нагрузки на поршни;

• Снижение эмиссии NO₂

Газотурбинный наддув

Газотурбинный наддув является ещё одним средством повышения наполнения цилиндров и, следовательно, повышения крутящего мо­мента (рис. 3). Турбокомпрессор расположен в выпускной системе двигателя таким образом, чтобы отработавшие газы могли приводить в действие турбину (14). В компрессоре (12) ра­бочее колесо установлено на одной оси с тур­биной, сжимает воздух и тем самым повышает массовое наполнение цилиндров. В процессе сжатия в компрессоре воздух нагревается, что отрицательно отражается на наполнении. Для снижения температуры воздух пропускается через охладитель (5) (теплообменник). Для того чтобы предотвратить работу комп­рессора в режиме насоса при закрытой дрос­сельной заслонке (2), что привело бы к неже­лательному повышенному шуму или даже к повреждению компрессора, используется кла­пан сброса давления (9), который открывает перепускной канал компрессора. Давление воздуха при наддуве должно регу­лироваться в соответствии с режимом работы двигателя. На высоких скоростных режимах и на режимах высоких нагрузок массовый поток отработавших газов настолько велик, что это может вызвать перегрузку двигателя, если не принять специальных мер. Поэтому часть от­работавших газов перепускается помимо тур­бины в выпускной коллектор при помощи пе­репускного клапана (11), который называют "разгрузочным". Это ограничивает частоту вращения турбины и тем самым уменьшает создаваемое компрессором давление наддува во впускном трубопроводе. Проходное сечение перепускного канала изменяется пневмати­чески управляемым клапаном регулирования давления наддува (10). Этот клапан управля­ется клапаном (13), на который поступают сигналы широтно-импульсной модуляции (PWM) от электронного блока управления (ECU).

 

Рис.18

1 Электронный блок управления двигателем (ECU)

2 Дроссельная за­слонка сдатчи­ком положения и регулятором частоты враще­ния холостого хода

3 Линия подвода топлива

4 Датчики темпе­ратуры и давле­ния наддувоч­ного воздуха

5 Охладитель надувочного воздуха

6 Обратный клапан

7 Вакуумный акку­мулятор

8 Электромагнит­ный клапан (с импульсным управлением)

9 Клапан сброса давления (раз­грузочный кла­пан)

10 Клапан управле­ния давлением наддува

11 Клапан пере­пуска отработав­ших газов

12 Компрессор

13 Электромагнит­ный клапан (с импульсным управлением)

14 Турбина