Виды наддува.

Существует несколько систем наддува. В первую очередь к ним следует отнести самый распространенный вид - турбонаддув - наддув за счет использования энергии выхлопных газов (рис. а). Этот вид наддува более подробно рассмотрим далее.

Второй вариант наддува - это наддув от приводного нагнетателя - так называемый SUPERCHARGER. На современных двигателях данная схема применяется редко из-за сложности конструкции нагнетателя и его недостаточной надежности. Преимуществом его по сравнению с турбонаддувом является более высокое давление наддува на пониженных режимах, а также отсутствие так называемой "турбоямы", т.е. характерного "провала" мощности при резком открытии дроссельной заслонки. Это определяет область применения приводного нагнетателя - в основном на не слишком быстроходных двигателях (FORD, GM), хотя в последние годы наметилась тенденция их использования и на высокооборотных двигателях (MERCEDES).

На дизелях автомобилей MAZDA установлен волновой обменник давления COMPREX, обеспечивающий наддув за счет взаимодействия волн давления и разрежения, распространяющихся в каналах вращающегося ротора. Этот тип наддува позволяет достичь более высокого форсирования, чем другие системы наддува, но пока не получил распространения из-за сложности конструкции (рис в).

Турбонаддув

1 - форсунка подачи топлива;
2 - компрессор;
3 - регулятор давления наддува;
4 - турбина;

Приводной компрессор

5 - передача клиновым ремнем;
6 - приводной компрессор;
7 - регулятор давления наддува;

Волновой обменник давления

8 - передача зубчатым ремнем;
9 - ротор волнового обменника;

Сравнение различных систем наддува по крутящему моменту двигателя на различных частотах вращения:

1. базовый двигатель без наддува;
2. двигатель с турбонаддувом;
3. двигатель с приводным нагнетателем;
4. двигатель с волновым обменником давления.

Oснова турбонаддува
Основой системы турбонаддува двигателя, и в то же время наиболее сложным ее элементом, является турбокомпрессор. Принцип работы турбокомпрессора заключается в том, что энергия оставшаяся в выхлопных газах не уходит в атмосферу, а идет на повышение давления и плотности воздуха поступающего в двигатель.

Отработанные двигателем газы через выпускной коллектор попадают в корпус турбины (горячая улитка). Давление газов и тепловая энергия газов вращают колесо турбины (горячая крыльчатка), которое, в свою очередь, вращает колесо компрессора (холодная крыльчатка). После этого выхлопные газы выбрасываются в атмосферу.

При вращении колесо компрессора всасывает воздух через воздушный фильтр. Лопасти колеса компрессора ускоряют и выталкивают воздух в корпус компрессора (холодная улитка), где воздух сжимается и во впускной коллектор двигателя. Воздух на выходе из компрессора имеет не только повышенное давление, но и температуру, снижающую плотность заряда, что неблагоприятно отражается на наполнении и, следовательно, мощности двигателя. Поэтому на многих двигателях с турбонаддувом с целью повышения плотности воздуха и, соответственно, улучшения наполнения цилиндров применяют промежуточное охлаждение наддуваемого воздуха (intercooler). Для этого, после компрессора воздух направляют в специальный "воздухо-воздушный" радиатор, установленный рядом с радиатором системы охлаждения.

Особенности работы двигателя с наддувом

Наддув является эффективным способом повышения мощности двигателя при сохранении его объема. Если степень форсирования двигателя характеризовать литровой мощностью Nn = N/Vh, где N - максимальная мощность; Vh -рабочий объем, то у двигателей с наддувом литровая мощность достигает порядка 85-90 кВт/л (110-120 л.с./л), что на 30-40% выше, чем у современных двигателей без наддува.

Двигатели с наддувом имеют меньшую геометрическую степень сжатия. Если в двигателях без наддува (бензиновых) ее значение порядка 9,5-10,0, то с наддувом степень сжатия, как правило, не превышает 8,5. Дело в том, что при увеличении давления смеси в начале сжатия (что и дает наддув) на величину степени повышения давления в компрессоре = Рк/Ро , где Рк - давление за компрессором, пропорционально увеличивается и давление в конце сжатия. Если его не уменьшить увеличением объема камеры сгорания (т.е. уменьшением геометрической степени сжатия , то в конце сжатия давление будет больше на величину Это равносильно тому, что двигатель будет иметь степень сжатия , что при даст увеличение на 1-1,5 единицы. Такой двигатель не сможет надежно работать из-за детонации на основных рабочих режимах. vk.com/vk.supercar Наддув, таким образом, дает увеличение мощности за счет увеличения количества топливо-воздушной смеси, поступившей в цилиндр на такте впуска при сохранении давления в цилиндре в конце сжатия приблизительно на прежнем уровне.

Поскольку количество топливовоздушной смеси увеличивается при сохранении рабочего объема, то увеличивается и количество выделившегося при сгорании тепла. Это приводит к необходимости усиливать детали двигателя, т.к. возрастает температура и давление в цилиндрах. В первую очередь увеличивают толщину стенок поршня и, особенно, его днища, изменяют головку блока цилиндров, фазы газораспределения, применяют клапаны из более жаропрочных материалов, а подшипники коленчатого вала увеличенной ширины и диаметра. Чем выше давление наддува, тем больше изменений требует конструкция. Применяются радиатор системы охлаждения увеличенного объема и площади, а также масляное охлаждение поршней, для чего приходится ставить масляный насос повышенной производительности и радиатор в системе смазки.

Очень высокая частота вращения ротора и теплонапряженность турбокомпрессора приводят к тому, что он становится "слабым" элементом двигателя. Именно при турбонаддуве приходится применять специальные сорта масел, обеспечивающие эффективную смазку подшипников ротора и их работу в тяжелых условиях. И если в случае неисправности системы смазки или некачественного масла у обычных двигателей в первую очередь выходят из строя, как правило, шатунные подшипники, то в двигателях с наддувом - подшипники ротора турбокомпрессора. Кстати, следует отметить, что разрушение подшипников ротора практически сразу приводит к потере герметичности его масляных уплотнений. А это весьма опасно, т.к. из турбокомпрессора масло под давлением может попасть во впускной трубопровод. Если масла окажется много, то в одном из цилиндров может произойти гидроудар, в результате которого разрушается шатун со всеми вытекающими отсюда последствиями.

Вступи, ещё больше интересного здесь ► vk.com/vk.supercar

Впуск/выпуск.

Система впуска

Доработка впускной системы направлена на снижение сопротивления воздуху на впуске и увеличение объема воздуха, поступающего в цилиндры. В перечень элементов, требующих доработки или замены, в зависимости от степени «тюнингования», входят: воздушный фильтр, дроссельный патрубок, ресивер и впускной коллектор. Модернизация системы впуска повлечет за собой также установку прямоточного выпускного коллектора, «верхового» распредвала и изменения программы управления двигателем. Рассмотрим все по порядку.

Фильтр нулевого сопротивления- обеспечивает не нулевое, а значительно сниженное сопротивление воздушному потоку. Стандартные воздушные фильтры имеют в своем составе фильтрующий элемент, изготовленный из очень плотного материала, к тому же и конструкция таких фильтров не совсем удачна с точки зрения количества пропускаемого воздуха. В фильтрах же нулевого сопротивления имеющиеся микроскопические отверстия в фильтрующем элементе позволяют прогонять гораздо большее количество воздуха. Способствует этому и большая площадь фильтрации: поверхностная площадь «спортивного» фильтра до пяти раз больше, чем площадь стандартного. По типу фильтрующего элемента «нулевики» бывают двух типов. Первый вариант: нетканый хлопковый материал, армированный металлической сеткой и уложенный гофром (в просторечии — «сетка»). Второй- мелкоячеистый полиуретан (эти фильтры именуют «поролоновыми»). «Сетка» обладает меньшим сопротивлением всасыванию, а «поролоновые» элементы лучше задерживают пыль и имеют большую поверхность очистки. Поэтому «поролон» используется во внедорожных гонках, а более чувствительные к загрязнению, но обладающие меньшим сопротивлением, «сетки»- на «асфальтовых» машинах. Некоторые компании делают фильтрующий материал двойным: первая ступень, с большими размерами пор, отвечает за крупные частицы, вторая задерживает мелкую пыль. Выбирая фильтр, надо обратить внимание на герметичность стыковочного патрубка, надежно обеспечиваемую только одним способом: резиновой манжетой в качестве уплотнения. Многие производители, желая сэкономить, делают весь корпус из пластика и считают «резинку» излишеством. Для кольцевых гонок оно может быть и так. В повседневной эксплуатации, где важен ресурс мотора, а значит, высокая степень фильтрации воздуха, пыль, «подсасываемая» через ненадежное уплотнение, «приканчивает» мотор раньше срока.

Фильтры бывают моющиеся и сухого типа. Для моющихся в продаже имеются специальные комплекты, состоящие из промывки и пропитки. Промывка предназначена для смывания грязи с поверхности фильтра, пропитка служит для задерживания мелких частиц пыли и грязи, задерживая их на стенках фильтра, не позволяя тем самым попасть в двигатель. Пропитка маслом позволяет увеличить размер отверстий фильтрующей сетки, а, значит, и снизить сопротивление потоку воздуха. Фильтрующий элемент в фильтрах сухого типа ничем не пропитан, но также имеет возможность многократного использования (моется или продувается в обратную сторону).

Установка фильтра имеет свои особенности. Чтобы исключить попадание в цилиндры горячего воздуха, в подкапотном пространстве важно выбрать место, которое было бы максимально удалено от любых источников тепла. Также следует ставить и защитный тепловой экран. Не следует устанавливать фильтр слишком низко – загрязнившись, он быстро лишится своих свойств. В продаже имеются системы впуска холодного воздуха. Как правило, они представляют из себя алюминиевый либо карбоновый (в зависимости от производителя) конус, плотно одетый на фильтрующий элемент и служащий экраном от тёплого воздуха, идущего от двигателя. К впускному отверстию присоединяется гофр, забирающий «за бортом» более чистый и холодный воздух. Специальная форма корпуса и самого фильтрующего элемента создают дополнительные завихрения, способствующие наполнению цилиндров двигателя. В итоге имеем: холодный воздух, получаемый с улицы, уменьшенное сопротивление за счет нулевика и пассивный наддув при движении автомобиля.

Необходимо подчеркнуть, что установка фильтра нулевого сопротивления имеет смысл только тогда, когда весь двигатель подвергся доработке. Ведь чудес не бывает. Снизить сопротивление потоку можно только за счет увеличения проходных отверстий, то есть - ухудшить качество фильтрации. Поэтому при установке «нулевика» на стандартный мотор игра не стоит свеч: глупо получать скорее теоретическую прибавку мощности за счет снижения ресурса двигателя. Кроме того, существует мнение, что пропитка фильтра, попадая на измерительный элемент датчика расхода воздуха, искажает его показания, а то и выводит из строя.

Следующий шаг — увеличение дроссельной заслонки. Увеличенный дроссель снижает скорость воздушного потока и способствует увеличению производительности впускной системы по воздуху. Самый бюджетный вариант — на разборке покупается заслонка от более мощного автомобиля, которая и устанавливается на собственную машину.

Далее идет замена стандартного впускного ресивера на увеличенный «спортивный». Спортивный ресивер имеет значительно больший объем и более короткие впускные патрубки. Больший, чем у стандартного, объём позволяет, при правильной конструкции и настройке, сгладить пульсации воздуха. Чем больше его объем, тем резче «подхватит» двигатель после сброса газа и повторного нажатия педали в пол. Короткие впускные трубопроводы смещают максимальный коэффициент наполнения цилиндров в область высоких оборотов двигателя. Длинные впускные трубопроводы обеспечивают хорошее наполнение и соответственно высокий крутящий момент при низких оборотах. Таким образом, при жестких, нерегулируемых впускных трубопроводах имеет место альтернатива: или хороший крутящий момент в диапазоне низких оборотов двигателя и пониженная номинальная мощность, или высокая номинальная мощность и уменьшенная тяга при низких оборотах. Идеал – впускная система с изменяемой геометрией каналов, которая в зависимости от оборотов и открытия дросселя использует разные длины коллектора и улучшает наполнение во всем диапазоне оборотов.

Существуют системы впуска, где впускной коллектор в его привычном понимании отсутствует как таковой, вместо него устанавливаются коротенькие трубки — «дудки», настроенные на определенные, обычно очень высокие обороты. Применяются они при желании выжать из двигателя все и стоят достаточно дорого. Это уже высшая ступень в тюнинге систем впуска атмосферных автомобилей- многодроссельный впуск, где на каждый цилиндр приходится по отдельной дроссельной заслонке и коллектору. Такой подход позволяет резко увеличить количество воздуха подаваемого в камеры сгорания. Многодроссельный впуск обеспечивает меньшие по сравнению с ресивером холостые обороты, более устойчивую работу мотора на низких и средних оборотах. Ну а работа двигателя на высоких оборотах вне всяких похвал. Несколько дроссельных заслонок вместо одной значительно ускоряют отклик автомобиля на нажатие педали газа. Побочные эффекты: сниженный ресурс двигателя и повышенный расход топлива. Многодроссельный впуск будет по настоящему эффективен только при разработке под конкретный мотор. Специалистам предстоит решить много теоретических задач и провести массу практических испытаний, пока они реализуют свои идеи в жизнь. И все равно газодинамика не укладывается в формулы, поэтому после изготовления системы снова нужны расчеты, доводки и новые испытания.

«Мультидроссель» бессмысленно применять для низкофорсированных или «средних» двигателей: «дудки» должны быть последней стадией форсировки после изменения степени сжатия и перепрограммирования блока управления. Если речь идет не о специально сконструированном, а о стандартном моторе, требуется замена форсунок на более производительные, полное изменение системы выпуска: пара впуск/выпуск должна четко соответствовать друг другу. Распредвалы, коленвалы, поршни, кольца и прочие детали тоже, конечно, меняются. Если суммировать все переделки, фактически получается совершенно другой мотор.

Система выпуска

Как только серийный двигатель подвергся изменениям с целью увеличения мощности (будь то увеличение рабочего объема или увеличение момента на высоких оборотах), сразу увеличивается расход газа через выпускную трубу и серийная выпускная система создает избыточное сопротивление. "Неправильный" выхлоп может "задавить" двигатель, повысив давление в цилиндре на такте выпуска, что приведет к росту работы насосных ходов. Кроме того, большое сопротивление выхлопной системы препятствует наполнению цилиндра смесью, поскольку не все выхлопные газы успеют покинуть цилиндр и займут часть объема свежей смеси.

Движение отработавших газов в выпускной трубе представляет собой колебательный процесс, который может быть согласован экспериментально с колебательным процессом движения горючей смеси во всасывающем тракте с таким расчетом, чтобы улучшить очистку цилиндра от отработавших газов и его наполнение свежей смесью. Давление в выпускной трубе подвержено резким колебаниям в течение всего периода выпуска. В первый момент после открытия выпускного клапана продукты сгорания устремляются в выпускную трубу со скоростью, превышающей скорость распространения звука. Быстрое удаление продуктов сгорания влечет за собой образование в цилиндре разряжения. Точно так же и в выпускной трубе образуются периоды пониженного давления.

Эксперименты с выпускными трубами доказали, что длина трубы не влияет на эффективность очистки цилиндра в первой стадии процесса выпуска, но зато с увеличением длины трубы в известных пределах увеличивается длительность периода, в течение которого поддерживается разряжение. С изменением частоты вращения период пониженного давления в выпускной системе не только изменяется по длительности и величине разряжения, но и смещается по углу поворота коленчатого вала. Поэтому каждому режиму работы двигателя соответствует определенная оптимальная длина выпускной трубы.

В выпускной системе ДВС присутствуют два процесса. Первый - сдемпфированное в той или иной степени истечение газа по трубам. Второй - распространение ударных волн (звука) в газовой среде. Оба процесса оказывают влияние на коэффициент наполнения цилиндров. С первым всё просто и понятно. Большое сопротивление потоку газов вызовет снижение качества продувки и потерю мощности. Совершенно понятно, что чем короче и большего диаметра труба, тем меньше её сопротивление потоку. Практикой проверено, что для полуторалитрового мотора, работающего на оборотах не выше 8000 достаточно диаметра 45 - 50 мм при длине 3 - 3,5 метра. Дальнейшее увеличение диаметра не вызывает существенного уменьшения динамического сопротивления.

Большая часть потерь на выпуске приходится на выпускной коллектор. В спорте и тюнинге штатный заменяют на так называемый "паук" - отличается формой и порядком соединения приемных труб с выпускными окнами. "Пауки" бывают "короткие" и "длинные" (два У). Если взять 4-цилиндровый двигатель, то схема труб "длинного" строится по формуле «4 трубы в 2 трубы в 1 трубу», а "короткого"- «4 в 1». Коллектор «4 в 1» дает добавочную мощность только в очень узком диапазоне оборотов, за 6000 об/мин, и его обычно применяют для высокофорсированных двигателей с широкофазными распредвалами, то есть на спортивных автомобилях. Коллекторы «4 в 2 в 1» подходят для любительского тюнинга, так как обеспечивают некоторый прирост мощности и крутящего момента в довольно широком диапазоне оборотов.

В прямоточной системе применяют также промежуточные прямые трубы увеличенного диаметра, резонаторы пониженного сопротивления. Если в выпускной системе разместить на некотором расстоянии от клапана отражатель, который называют резонатором, то на определённых оборотах улучшится продувка цилиндров, что поднимет вращающий момент двигателя. Это явление называется "настроенный выхлоп" и используется для корректировки моментной кривой. Если стоит задача повысить мощность, как для спортивного мотора, то резонатор настраивают на падающий после максимума участок. Таким образом, продлевают момент на большие обороты. Если же мы хотим получить более "тяговитый" мотор на низах, то настраиваем на растущий до максимума участок.

Если автомобиль оборудован каталитическим нейтрализатором, то вместо него устанавливают пламегаситель прямоточного типа - резонатор, способный выдерживать максимальные температурные и механические нагрузки.Экологические нормы стран СНГ еще допускают такие переделки.

Для снижения шума устанавливается оконечный глушитель (так наз. «банка»), расположенный как можно дальше, для того, чтобы снизить его влияние на резонансные свойства. Прямоточный глушитель работает по принципу поглощения. Он состоит из внешнего корпуса, в котором проходит перфорированная труба. Пространство между корпусом и трубой заполнено теплостойким стекловолокном или другим аналогичным материалом. Мелкоячеистая сетка отделяет волокна набивки от трубы. Это необходимо для того, чтобы волокна ваты не выдувались из глушителя. Шум выхлопа эффективно рассеивается наполнителем через перфорации. Такой глушитель практически не оказывает сопротивление выхлопу.

Частотность и громкость звука, который издает прямоточный глушитель, определяется его размерами, количеством и качеством материала набивки, диаметром отверстий в трубе, а так же количеством этих отверстий. Глушитель выполняет свои функции до тех пор, пока у него есть набивка. Когда же набивка истончается, он начинает звенеть.