Изобарная система или система наддува при постоянном давлении

Еще в конце 19-го века родоначальники двигателестроения Р. Дизель и Г. Даймлер экспериментировали с повышением выходной мощности двигателя, сжимая воздух, нагнетаемый в камеры сгорания цилиндров. Но существенный прорыв в развитии и внедрении технологий наддува был осуществлен инженером из Швейцарии А. Бюши. В 1905 году он запатентовал поршневой двигатель, где воздух, подаваемый в цилиндры, сжимался турбокомпрессором, приводимым в движение выхлопными газами двигателя. Изначально турбины использовались для авиационных и судовых силовых агрегатов. Затем к их использованию обратились производители грузового автотранспорта (1938 г) и наконец, с 60 годов прошлого века турбокомпрессоры стали устанавливать на легковые автомобили. Пионерами в этой области стали американские автогиганты CHEVROLET и GM. На сегодняшний день системами турбонаддува оснащаются практически все дизельные силовые установки коммерческого грузового автотранспорта. На бензиновых двигателях применение турбокомпрессоров ведет к экономии топлива и снижению содержания СО₂и других вредных веществ в выхлопных газах.

Типы наддува

В двигателестроении различают три типа наддува:

• Резонансный наддув. Нагнетатель отсутствует. Для повышения давления используется кинетическая энергия воздуха. При верно подобранной длине впускного трубопровода волна воздуха, многократно отразившись от его стенок, подойдет к клапану в необходимое время. На практике используются впускные тракты изменяемой длины за счет подключения дополнительной резонансной камеры или переподключения впускных каналов (динамический наддув). Избыточное давление наддува составляет от 0,005 до 0,02 атм.
• Механический наддув. Осуществляется механическими нагнетателями (объемными или центробежными), приводящимися в движение непосредственно от коленчатого вала ДВС посредством зубчатого ременного или шестеренчатого привода. К несомненным плюсам следует отнести пропорциональное увеличение давления подаваемого воздуха с нарастанием оборотов двигателя, к минусам – габаритность и снижение КПД мотора из-за дополнительного расходования крутящего момента для привода нагнетателя. Избыточное давление достигает 0,5 атм.
• Газотурбинный наддув. На современном автотранспорте получили наиболее широкое распространение. По сути, это тотже центробежный компрессор, использующий для привода энергию отработанных газов. Турбокомпрессор представляет собой жесткую связку турбинного и компрессорного колеса, закрепленных на одном валу. Выхлопные газы, попадая в корпус турбины, приводят ее в движение. Крутящий момент передается компрессорному колесу, подающему во впускной тракт ДВС сжатый воздух.

Конструктивные особенности ДВС с наддувом постоянного давления

Установка турбокомпрессора влечет за собой модернизацию систем смазки, охлаждения, питания двигателя и других важных систем. Конструктивные изменения могут быть незначительными, если применение наддува преследует цели улучшения экономичных и экологических показателей. Для увеличения мощностных характеристик с использованием турбонаддува, двигатель подвергается серьезному изменению.

Устанавливаются более производительные топливный и масляный насосы, дополнительные фильтрующие элементы тонкой очистки масла, отстойники и радиаторы охлаждения системы смазки. Впускные и выпускные коллекторы подвергаются наибольшему изменению. Для выравнивания давления отработанных газов производят существенное увеличение объема выпускного коллектора. Этим достигается сглаживание пульсаций газообразных продуктов сгорания топлива.

Преимущества и недостатки изобарных систем наддува

Главный недостаток систем наддува постоянного давления – небольшой крутящий момент на низкооборотистых режимах работы двигателя. Кроме того, следует отметить следующие минусы:

• Резкое снижение нагрузки вызывает ухудшение качества продувки и наполнения цилиндра, что приводит к повышению расхода топлива.
• Повышенная инерционность турбокомпрессора,
• Ухудшение динамических показателей ДВС при изменении режима эксплуатации (разгоне, возрастании нагрузки и т.д.).
• Возможность обратного проникновения газов в цилиндры на молоцилиндровых двигателях.
• Нередкий затрудненный запуск ДВС

Основные преимущества систем изобарного наддува проявляются при устоявшемся режиме работы двигателя, с нагрузками, близкими к максимальной. Именно в этих режимах турбокомпрессор имеет самый высокий КПД и оптимальную эффективность. Гораздо легче выбрать место установки турбины на двигателе, благодаря отсутствию необходимости сохранения энергии импульсов выхлопных газов. Силовые установки с турбокомпрессорами постоянного давления получили широкое распространение в габаритных стационарных машинах.

Основные направления развития турбокомпрессоров

Развитие турбокомпрессорных технологий происходит по следующим векторам:

• Борьба с инерционностью наддува, уменьшение размеров ТК.
• Применение новых керамических материалов для изготовления ротора турбины.
• Применение турбин с изменяемой геометрией.
• Внедрение микропроцессорной электроники для регулировки давления наддува.
• Использование нескольких турбокомпрессоров на одном двигателе («битурбо», «твинтурбо»)