Схема впускной системы

Интеркулер водяного типа имеет ряд неоспоримых преимуществ, в сравнении с воздушным собратом. Благодаря своей компактности водяной охладитель может быть установлен в любом свободном месте в подкапотном пространстве. Вода (охлаждающая жидкость) отводит тепло более интенсивно, поэтому эффективность водяного интеркулера значительно выше. Правда, при нагреве жидкости нужно больше времени для остывания.

За все преимущества приходится расплачиваться достаточно сложной  конструкцией интеркулера, которая  помимо водяного теплообменника включает воздушный радиатор, водяной насос, систему патрубков, электронный  блок управления. Вместе с системой охлаждения двигателя они образуют двухконтурную систему охлаждения.

По причине сложности  конструкции система охлаждения наддувочного воздуха водяного типа применяется достаточно редко, в  случаях, когда воздушный охладитель применить невозможно. Например, водяной  охладитель наддувочного воздуха применяется  на некоторых двигателях TSI.

 

 

 Система Twin Turbo 

 

 

Система турбонаддува, в  которой используется два турбокомпрессора, носит название Twin Turbo. Изначально два  турбокомпрессора применялись для  преодоления инерционности системы, т.н. турбозадержки (турбоямы). В дальнейшем область применения спаренных турбокомпрессоров расширилась и в настоящее время позволяет значительно повышать выходную мощность, поддерживать номинальный крутящий момент в широком диапазоне оборотов двигателя, снижать удельный расход топлива.

Различают три конструктивные схемы системы Twin Turbo: параллельную, последовательную и ступенчатую. Схемы различаются характеристиками, расположением и порядком работы турбокомпрессоров. Работу турбокомпрессоров регулирует электронная система управления, включающая входные датчики, блок управления и приводы клапанов управления потоком воздуха и отработавших газов.

Twin Turbo – торговое название системы турбонаддува, другое используемое название (синоним) Biturbo. В некоторых истониках информации под названием Biturbo понимается система с параллельной схемой работы турбокомпрессоров, что не совсем верно.

Параллельный Twin Turbo

Система параллельного Twin Turbo включает два одинаковых турбокомпрессора, работающих одновременно и параллельно  друг другу. Параллельная работа реализуется  путем равномерного разделения потока отработавших газов между турбокомпрессорами. Сжатый воздух от каждого компрессора  поступает в общий впускной коллектор  и далее распределяется по цилиндрам.

Параллельный Twin Turbo применяется  в основном на V-образных дизельных  двигателях. Каждый турбокомпрессор  закреплен на своем выпускном  коллекторе. Эффективность параллельной схемы турбонаддува базируется на том, что две небольшие турбины  имеют меньшую инерционность, чем  одна большая. За счет этого сокращается  «турбояма», турбокомпрессоры работают на всех оборотах двигателя, обеспечивая  быстрое повышение давления наддува.

Последовательный Twin Turbo

Система последовательного Twin Turbo включает два соизмеримых  по характеристикам турбокомпрессора. Первый турбокомпрессор работает постоянно, второй включается в работу при определенных режимах работы двигателя (частота  оборотов, нагрузка).

Схема системы Twin Turbo  

 

 

На примере схемы параллельного Twin Turbo от Subaru

Схема подготовлена по материалам сайта autospeed.com

1. перепускной клапан наддува (bypass);
2. клапан управления подачей воздуха;
3. датчик разности давлений;
4. клапан управления подачей отработавших газов;
5. вторичный турбокомпрессор;
6. интеркулер;
7. первичный турбокомпрессор;
8. перепускной клапан отработавших газов (wastegate)

Схема системы Twin Turbo

Переход между режимами обеспечивает электронная система управления, которая регулирует поток отработавших газов ко второму турокомпрессору  с помощью специального клапана. При полном открытии клапана управления подачей отработавших газов оба  турбокомпрессора работают параллельно, поэтому правильно систему называть последовательно-параллельная. Сжатый воздух от двух турбокомпрессоров подается в общий впускной коллектор и  распределяется по цилиндрам.

Система последовательного Twin Turbo минимизирует последствия турбозадержки  и позволяет достичь максимальной выходной мощности. Применяется на бензиновых и дизельных двигателях. В 2011 году компания BMW представила систему с тремя последовательными турбокомпрессорами – Triple Turbo.

Двухступенчатый турбонаддув 

Самой совершенной в техническом  плане является система двухступенчатого турбонаддува. С 2004 года система двухступенчатого турбонаддува применяется на ряде дизельных  двигателей от Opel. Другой производитель - компания BorgWarner Turbo Systems внедряет систему  на дизельные двигатели BMW и Cummins.

Схема двухступенчатого турбонаддува  

 

 

На примере регулируемого  двухступенчатого турбонаддува от BorgWarner Turbo Systems

Схема подготовлена по материалам сайта www.turbos.bwauto.com

1. охладитель наддувочного воздуха;
2. перепускной клапан наддува (bypass);
3. турбокомпрессор ступени высокого давления;
4. турбокомпрессор ступени низкого давления;
5. перепускной клапан отработавших газов (wastegate)

Работа системы регулируемого  двухступенчатого турбонаддува

 

 

Схема двухступенчатого турбонаддува

Система двухступенчатого турбонаддува состоит из двух турбокомпрессоров  разного размера, установленных  последовательно в выпускном  и впускном (воздушном) трактах. В  системе используется клапанное  регулирование потока отработавших газов и нагнетаемого воздуха.

При низких оборотах двигателя перепускной клапан отработавших газов закрыт. Отработавшие газы проходят через малый турбокомпрессор (имеет минимальную инерцию и максимальную отдачу) и далее через большой турбокомпрессор. Давление отработавших газов невелико. Поэтому большая турбина почти не вращается. На впуске перепускной клапан наддува закрыт. Воздух проходит последовательно через большой (первая ступень) и малый (вторая ступень) компрессоры.

С ростом оборотов осуществляется совместная работа турбокомпрессоров. Перепускной клапан отработавших газов постепенно открывается. Часть отработавших газов идет непосредственно через большую турбину, которая раскручивается все более интенсивно. На впуске большой компрессор сжимает воздух с определенным давлением, но оно недостаточно большое. Поэтому далее сжатый воздух поступает в малый компрессор, где происходит дальнейшее повышение давления. Перепускной клапан наддува при этом по прежнему закрыт.

При полной нагрузке перепускной клапан отработавших газов открыт полностью. Газы практически полностью проходят через большую турбину, раскручивая ее до максимальной частоты. Малая турбина останавливается. На впуске большой компрессор обеспечивает максимальное давление наддува. Малый компрессор, наоборот, создает препятствие для воздуха, поэтому в определенный момент открывается перепускной клапан наддува и сжатый воздух поступает напрямую к двигателю.

Таким образом, система двухступенчатого турбонаддува обеспечивает эффективную  работу турбокомпрессоров на всех режимах  работы двигателя. Система разрешает  известное противоречие дизельных  двигателей между высоким крутящим моментом на низких оборотах и максимальной мощностью на высоких оборотах. С  помощью двухступенчатых турбокомпрессоров  номинальный крутящий момент достигается  быстро и поддерживается в широком  диапазоне оборотов двигателя, обеспечивается максимальное повышение мощности.

 

 

 

 

Схема турбонаддува двигателя TDI  

 

 

Схема подготовлена по материалам Volkswagen AG 

 

1. вакуумная магистраль
2. блок управления двигателем
3. датчики давления наддува и температуры воздуха на впуске
4. блок управления воздушной заслонкой
5. интеркулер
6. клапан рециркуляции отработавших газов
7. клапан ограничения давления наддува
8. турбонагнетатель
9. впускной коллектор
10. вакуумный привод направляющих лопаток
11. выпускной коллектор

• А - воздух

• Б - отработавшие газы

 

Механический  нагнетатель 

 

 

Механический  нагнетатель - основной конструктивный элемент системы механического наддува. С помощью нагнетателя в впускном тракте создается давление выше атмосферного, а механический он потому, что привод рабочего органа осуществляется непосредственного от коленчатого вала двигателя. За рубежом механический нагнетатель называют одним словом – supercharger.

Применение механического  нагнетателя обеспечивает повышение  мощности (до 50%) и крутящего момента (до 30%) двигателя. Вместе с тем, механический нагнетатель отличают значительные затраты мощности двигателя на привод, которые могут достигать 30%.

Механический нагнетатель  выполняет следующие взаимосвязанные  функции: втягивание воздуха, сжатие воздуха  и нагнетание воздуха во впускную систему. Втягивание воздуха происходит посредством созданного разряжения. Для того чтобы создать давление, нагнетатель должен вращаться быстрее  чем двигатель. Нагнетание воздуха  в впускной тракт осуществляется за счет разницы давлений в системе.

Воздух имеет свойство нагреваться при сжатии, при этом снижается его плотность и  соответственно давление. Поэтому в  системах наддува сжатый воздух охлаждается  с помощью специального воздушного или жидкостного охладителя – интеркулера.

Механический нагнетатель  конструктивно может иметь один из следующих приводов:

• прямой привод (непосредственное крепление нагнетателя на фланец коленчатого вала);
• ременной привод (различный виды ремней – клиновой, зубчатый, плоский);
• цепной привод;
• зубчатая передача (цилиндрический редуктор);
• электрический привод (электродвигатель).

На современных автомобилях  применяются три основных типа механических нагнетателей:

• кулачковый нагнетатель (нагнетатель Roots);
• винтовой нагнетатель (нагнетатель Lysholm);
• центробежный нагнетатель.

Кулачковый нагнетатель 

Кулачковый нагнетатель является самым старым типом механического  нагнетателя, т.к. используется на автомобилях  с 1900 года. Имеет другое название по имени изобретателей – нагнетатель Roots, обиходное название воздуходувка.

Современный кулачковый нагнетатель  имеет два трех- или четырехкулачковых  ротора, которые вращаются навстречу  друг другу. Кулачки расположены  по спирали на всей длине ротора. Угол закрутки кулачков обеспечивает максимальную эффективность в плане  нагнетания и потерь.

По конструкции и принципу действия кулачковый нагнетатель очень  похож на шестеренный масляный насос. Воздух в нагнетателе захватывается  кулачками, перемещается в пространстве между кулачками и стенками корпуса, нагнетается в впускной трубопровод. Имеет место т.н. внешнее нагнетание.

Нагнетатель Roots характеризует  быстрое создание необходимого давления наддува, а также рост этого давления с увеличением частоты вращения коленчатого вала. Вместе с тем  в определенный момент может образоваться избыток давления, и как следствие  – заторы в нагнетательном канале, снижение мощности двигателя. Поэтому  при использовании механических нагнетателей всех типов осуществляется регулирование давления наддува.

Регулирование давления наддува  производится двумя способами:

• отключением нагнетателя (например, с помощью электромагнитной муфты);
• перепусканием воздуха при непрерывной работе нагнетателя (с помощью перепускного клапана).

Современные системы механического  наддува имеют электронное регулирование  наддува, включающее входные датчики (датчик давления наддува, датчик температуры во впускном коллекторе и др.), электронный блок управления, исполнительные механизмы (электромеханический модуль привода перепускного клапана, электромагнит муфты и др.).

Нагнетатели Roots имеют достаточно высокую стоимость, обусловленную  малыми допусками в изготовлении. Они предъявляют повышенные требования к чистоте подаваемого воздуха, т.к. инородный предмет в впускной системе может привести к выходу из строя нагнетателя. Необходимо отметить большой вес нагнетателя и  высокий уровень шума при его  работе. Производители достаточно эффективно борются с шумом. В их арсенале специальная конструкция корпуса, демпфирующие пластины и маты, резонатор, демпферы и др.

Ведущим производителем нагнетателей Roots является фирма Eaton, которая в настоящее время предлагает высокоэффективные четырехкулачковые нагнетатели TVS, Twin Vortices Series (дословно - спаренная серия вихрей). Данные нагнетатели устанавливаются на серийные двигатели автомобилей Cadillac, Toyota, Audi. На некоторых двигателях кулачковые нагнетатели используются совместно с турбонагнетателями, например двойной наддув двигателя TSI.

Винтовой нагнетатель 

Винтовой нагнетатель (другое наименование по имени изобретателя – нагнетатель Lysholm) по конструкции похож на нагнетатель Roots. Нагнетатель включает два ротора-шнека специальной формы (один ротор c выступами, другой – с выемками). Роторы имеют коническую форму, при которой воздушные камеры между роторами уменьшаются в размере по длине.