Виды наддува бензиновых двигателей

Виды  наддува бензиновых двигателей

Существуют три  вида наддува бензиновых двигателей:

- резонансный 

- с помощью  объемного нагнетателя 

- газотурбинный 

Несмотря на конструкцию, конечная цель у наддува одна — повысить крутящий момент и, соответственно, мощность. Резонансный наддув в большинстве случаев реализовывается на двигателях с распределенным впрыском топлива, у которых длина каналов впускного коллектора практически одинакова для каждого цилиндра. Задача резонансного наддува при частоте 3.000 — 3.500 об/мин обеспечить повышенное давление смеси перед впускным клапаном в момент его открытия за счет использования частоты колебаний смеси во впускном коллекторе. Как правило, объем ресивера и определяет достаточно узкий диапазон работы такого наддува. В принципе, существуют многокамерные ресиверы, но это отдельная тема.

Объемный  нагнетатель наиболее согласован по своим расходным характеристикам с работой двигателя. Фактически это механический компрессор (различной, при необходимости, производительности), жестко закрепленный на блоке цилиндров и приводимый в движение от коленчатого вала через шкив ременной передачей.

Однако их применение сдерживается необходимостью монтажа  их привода, смазки, громоздкостью и  повышенной шумностью работы. Основное применение — большие автомобили, так как требуется много места  для организации работы.

Газотурбинный наддув, нашедший широкое применение на легковых автомобилях.

Принцип достаточно прост. Отработавшие газы на выходе из двигателя вращают турбину, которая  нагнетает воздух во впускной коллектор. Первоначально существовавшие проблемы типа «турбо ямы», перегрева на многих современных компрессорах решены. Появившиеся  корректоры по наддуву, которыми в обязательном порядке комплектуются системы, позволяют существенно улучшить мощностные показатели двигателя, снизить расход топлива и, кроме того, сформировать нужную характеристику работы двигателя. Применение малоразмерных компрессоров (с малым моментом инерции) позволило практически устранить запаздывание срабатывания наддува при работе двигателя в разнопеременных нагрузках.

В зависимости  от степени наддува мощность можно  увеличить до 40%. Это результат  для серийных моторов. Для экстремальных  целей возможности наддува ограничены надежностью мотора.

Разработчикам Фольксваген удалось воплотить  это в необыкновенном двигателе TSI, который оптимально соответствует всем перечисленным ожиданиям. Этот компактный двигатель развивает мощность в 125 кВт и крутящий момент 240 Нм в диапазоне от 1750 до 5000 оборотов в минуту.

Расход топлива — 7,2 литра на 100 километров.

Благодаря технологии TSI с двойным наддувом инженерам Фольксваген удалось объединить эти два требования в одном двигателе, не принося их в жертву друг другу. Из-за оптимальной концепции привода полный крутящий момент создается уже на низких оборотах и поддерживается в последующем широком диапазоне. Похожие результаты обеспечивают традиционные большие двигатели.

Сложность этого  конструкторского проекта заключалась  в том, чтобы объединить мощь крупных двигателей с экономическими преимуществами малых двигателей. Двигатель 1,4 TSI с двойным наддувом — убедительное подтверждение того, как Фольксваген последовательно совершенствует свою технологию FSI в направлении повышения удовольствия от езды и роста КПД.

Под давлением 150 бар, через новые форсунки с 6-ю отверстиями топливо впрыскивается непосредственно в камеру сгорания, где проходит оптимальную подготовку. Именно технология FSI за счет охлаждения камеры сгорания при испарении топлива обеспечивает высокую степень сжатия 10:1, не смотря на двойной наддув.

До сих пор двигатели с высоким наддувом имели одно ограничение: из-за низкой энергии отработавших газов на малых оборотах возникала так называемая турбояма, как следствие двойного наддува. Чтобы устранить эту проблему разработчики используют в качестве второго надувного агрегата скоростной компрессор с механическим приводом, устанавливаемый перед обычным турбокомпрессором. Это устраняет провалы в мощности. Когда требуется большая сила тяги в нижнем диапазоне оборотов, компрессор работает постоянно. При переходе в турборежим компрессор работает по динамическому принципу.

Сочетание двух высоких технологий: FSI и двойного наддува позволило эффективно уменьшить объем двигателя. При этом впервые в истории серийных бензиновых двигателей последовательно расположенные устройства подачи обеспечивают давление наддува до 2,5 бар. Это новый рекорд по сравнению с давлением наддува традиционных турбодвигателей.

Как только водитель нажимает на педаль газа, система управления двигателем подключает компрессор. Электромагнитная муфта, интегрированная в модуль насоса охлаждения, отвечает за включение и отключение компрессора, имеющего отдельный ременный привод.

За счет высокого передаточного числа 5 к 1 компрессор уже на холостых оборотах подает на коленчатый вал давление наддува до 1,8 бар. Таким образом, двигатель уже на старте развивает желаемый крутящий момент.

В режиме постоянной работы компрессора, т.е. до 2000 оборотов в минуту, при высокой нагрузке регулирующая заслонка закрывается и весь поток воздуха направляется в компрессор. Благодаря тому, что роторы компрессора обеспечивают высокое число оборотов, оптимизируется эластичность двигателя. В динамическом режиме работы компрессора автоматическая система регулирования наддува в зависимости от необходимого тягового усилия определяет: следует ли подключать компрессор или турбокомпрессор в одиночку сможет создать требуемое давление наддува. Если давление турбокомпрессора достаточное, регулирующая заслонка открывается и позволяет воздуху поступать напрямую в турбокомпрессор. При этом энергия отработавших газов используется для сжатия воздуха. На низких оборотах, согласно принципиальной схеме, турбокомпрессор срабатывает не сразу. Сочетание с компрессором позволяет повысить КПД турбокомпрессора в верхнем диапазоне оборотов.

Согласование  обеих технологий наддува в динамическом режиме езды представляло особо сложную задачу для разработчиков. Если после падения числа оборотов до нижнего диапазона снова требуется ускорение, система управления двигателем мгновенно подключает компрессор. Регулировочная заслонка закрывается и воздух подаётся через компрессор. Выше границы 3500 оборотов в минуту турбокомпрессор переходит в режим самостоятельной работы. Если требуется большая сила тяги, например, при движении на высоких скоростях, турбокомпрессор обеспечивает достаточное давление. В таких случаях двигатель работает только в турбо режиме. Подача воздуха обеспечивается напрямую к турбокомпрессору. Двигатель TSI рассчитан на работу до 7000 об/мин. Выбор материалов с высокой термоустойчивостью обеспечивает оптимальный расход топлива даже на больших скоростях. Сравнение с другими двигателями сегмента А чётко показывает, что обе цели поставленные перед разработчиками будет полностью достигнуты.

Новый двигатель  обладает превосходной динамикой и при этом расходует крайне мало топлива для своих 125 кВт.

Длительные испытания  эквивалент 300 тысяч км пробега показали успешные результаты. Свыше 250 прототипов и предсерийных двигателей были основательно проверены во всех необходимых циклах испытаний. Каждый отдельный компонент двигателя TSI успешно выдержал испытания и имеет ресурс, соответствующий сроку службы двигателя.

В таком мощном двигателе как TSI все детали должны быть рассчитаны на высокую длительную нагрузку. Например, блок цилиндров отлит из серого чугуна и гарантирует полную безопасность эксплуатации даже при высоком давлении впрыска до 120 бар.

Благодаря эффективному развитию крутящего момента можно  реже переключать передачи.