Воздух под давлением в двигатель

О системе подачи воздуха

Впускная система (другое наименование – система подачи воздуха) предназначена для впуска в двигатель необходимого количества воздуха и образования топливно-воздушной смеси. Термин «впускная система» появился с развитием конструкции двигателей внутреннего сгорания, особенно с появлением системы непосредственного впрыска топлива. Оборудование для питания двигателя воздухом перестало быть просто воздуховодом, а превратилось в отдельную систему.

В своей работе система впуска взаимодействует со многими системами двигателя, в том числе с системой впрыска, системой рециркуляции отработавших газов, системой улавливания паров бензина, вакуумным усилителем тормозов. Взаимодействие перечисленных систем и еще ряда других систем обеспечивает система управления двигателем.

Для улучшения наполнения цилиндров воздухом, повышения мощности в конструкции системы впуска современных бензиновых и дизелных двигателей используется турбонаддув.

Конструкция впускной системы включает воздухозаборник, воздушный фильтр, дроссельную заслонку, впускной коллектор. на отдельных конструкциях двигателей используются впускные заслонки. Все элементы впускной системы соединены патрубками.

Схема впускной системы: 1-воздушный фильтр,2-расходомер воздуха,3-адсорбер,4-запорный клапан системы улавливания паров бензина,5-блок управления дроссельной заслонкой,6-датчик давления во впускном коллекторе,7-клапан управления впускными заслонками,8-вакуумный привод впускных заслонок,9-датчик положения впускной заслонки,10-датчик давления в магистрали вакуумного усилителя тормозов,11-клапан системы рециркуляции отработавших газов,12-блок управления системы управления двигателем.

Воздухозаборник обеспечивает забор воздуха из атмосферы и представляет собой патрубок определенной формы.

Воздушный фильтр служит для очистки воздуха от механических частиц. Фильтрующий элемент изготавливается из специальной бумаги и размещается в отдельном корпусе. Фильтрующий элемент воздушного фильтра является расходным материалом, т.е. имеет ограниченный срок службы. В зависимости от условий эксплуатации автомобиля срок службы фильтрующего элемента может изменяться.

Дроссельная заслонка регулирует величину поступающего воздуха в соответствии с величиной впрыскиваемого топлива. На современных двигателях дроссельная заслонка приводится в действие с помощью электродвигателя и не имеет механической связи с педалью газа.

Впускной коллектор распределяет поток воздуха по цилиндрам двигателя и придает ему необходимое движение. Разряжение, возникаемое во впускном коллекторе используется в работе вакуумного усилителя тормозов, а также для привода впускных заслонок.

На двигателях с непосредственным впрыском топлива в дополнение к дроссельной заслонке устанавливаются впускные заслонки. Они обеспечивают процесс смесеобразования за счет разделения воздуха на два впускных канала. Один канал перекрывает заслонка, через другой – воздух проходит безпрепятственно. Впускные заслонки установлены на общем валу, который поворачивается с помощью вакуумного или электрического привода.

Работу впускной системы обеспечивает система управления двигателем. Конструктивные элементы системы управления двигателем, которые используются в работе системы впуска, можно разделить на три группы: входные датчики, блок управления иисполнительные устройства.

К примеру, впускная система двигателя с непосредственным впрыском топлива имеет следующие входные датчики: расходомер воздуха, температуры воздуха на впуске, положения дроссельной заслонки, давления во впускном коллекторе, положения впускной заслонки, положения клапана рециркуляции, давления в магистрали вакуумного усилителя тормозов.

Расходомер воздуха и датчик температуры воздуха на впуске служат для определения нагрузки на двигатель. На некоторых моделях двигателей расходомер воздуха не устанавливается. Его функции выполняет датчик давления во впускном коллекторе. При совместной установке расходомер воздуха и датчик давления во впускном коллекторе дублируют друг друга. Датчик давления во впускном коллекторе также используется в работе системы рециркуляции отработавших газов для расчета количества перепускаемых газов. Величина нагрузки двигателя определяется с помощью датчика температуры воздуха на впуске и дополнительного датчика атмосферного давления. Остальные датчики обеспечивают работу соответствующих систем.

Работой впускной системы управляют следующие исполнительные устройства:

• блок управления дроссельной заслонкой;
• электродвигатель привода впускных заслонок или клапан управления вакуумным приводом заслонок (на двигателе с непосредственным впрыском топлива);
• запорный клапан системы улавливания паров бензина;
• электромагнитный клапан системы рециркуляции отработавших газов.

Исполнительные устройства активирует блок управления двигателем.

Принцип работы впускной системы

Работа впускной системы основана на разности давлений в цилиндре двигателя и атмосфере, возникающей на такте впуска. Объем поступающего воздуха при этом пропорционален объему цилиндра. Величина поступающего воздуха регулируется положением дроссельной заслонки в зависмости от режима работы двигателя.

На двигателях с непосредственным впрыском топлива в дополнение к дроссельной заслонке работают впускные заслонки. Совместная работа дроссельной и впускных заслонок обеспечивает несколько видов смесеобразования:

• послойное смесеобразование;
• бедное гомогенное смесеобразование;
• стехиометрическое гомогенное смесеобразование.

Послойное смесеобразование используется при работе двигателя на малых и средних оборотах и нагрузках. При послойном смесеобразовании дроссельная заслонка большую часть времени открыта полностью. Заслонка прикрывается только для обеспечения разряжения, необходимого в работе системы улавливания паров бензина (продувка адсорбера), системы рециркуляции отработавших газов (перепуск отработавших газов во впускной коллектор) и вакуумного усилителя тормозов (создание необходимого разрежения). Впускные заслонки закрыты.

Стехиометрическое (легковоспламеняемое) гомогенное (однородное) смесеобразование применяется при высоких оборотах двигателя и больших нагрузках. Дроссельная заслонка открывается в соответствии с требуемым крутящим моментом. Впускные заслонки открыты.

На бедной гомогенной смеси двигатель работает в промежуточных режимах. Дроссельная заслонка открывается также в соответствии с требуемым крутящим моментом. Впускные заслонки закрыты.

Уважаемый посетитель! Мы физически не можем отвечать на каждый комментарий..
Для того, чтобы Вы могли самостоятельно (или с помощью ближайшего автосервиса) устранить неисправности дизеля, мы разработали ОнлайнДиагностику. Это интерактивное руководство, которое содержит все известные причины неисправностей дизельных двигателей и указывает пути достижения правильной работы конкретного двигателя.

Приглашаем вас воспользоваться ОнлайнДиагностикой прямо сейчас!

Транспортные средства на сжатом воздухе

Транспортные средства на сжатом воздухе приводятся в движение пневмодвигателями, использующими сжатый воздух, запасённый в баллонах. Такой привод называется пневматическим. Вместо смеси топлива с воздухом и её сжигания в двигателе, и последующей передачи энергии поршням от горячих расширяющихся газов, в транспортных средствах на сжатом воздухе передача энергии поршням осуществляется от сжатого воздуха.

Системы привода транспортных средств, работающие на сжатом воздухе, могут также входить в состав гибридных систем, то есть систем, включающих также электрические батареи и топливные баки для их перезарядки.

Содержание

• 1 Технологии
  • 1.1 Двигатели
  • 1.2 Баллоны
  • 1.3 Сжатый воздух
  • 1.4 Выбросы отходов
• 2 Преимущества и недостатки
  • 2.1 Возможные улучшения
• 3 История
• 4 Транспорт на сжатом воздухе
  • 4.1 Пневмовелосипеды
  • 4.2 Мотоциклы
  • 4.3 Мопеды
  • 4.4 Автомобили
  • 4.5 Автобусы
• 5 См. также
• 6 Примечания
• 7 Ссылки

Технологии [ править | править код ]

Двигатели [ править | править код ]

Типичные двигатели, работающие на сжатом воздухе (пневмодвигатели), используют один или несколько поршней. Пневмодвигатели принципиально по конструкции очень похожи на гидродвигатели. В некоторых случаях целесообразно нагревать воздух или двигатель для повышения отдачи энергии. Особенно это актуально с учётом того, что расширяющийся в пневмодвигателях воздух охлаждается.

Баллоны [ править | править код ]

Баллоны для хранения сжатого воздуха должны быть разработаны в соответствии со стандартами безопасности для сосудов, работающих под давлением. Примером такого стандарта является ISO 11439 [1] .

Баллоны могут быть изготовлены из следующих материалов:

• сталь,
• алюминий,
• углепластик,
• кевлар,
• другие материалы, или сочетание указанных выше.

Материалы на базе пластика легче металлических, но в целом они дороже. Металлические баллоны могут выдерживать большое количество циклов нагружения-разгрузки, но их необходимо периодически проверять на наличие коррозии.

Одна из компаний использует баллоны, рассчитанные на давление 30 МПа [2] .

Баллоны описываемых транспортных средств необходимо заправлять на специальных заправочных станциях, имеющих необходимое оборудование. Затраты на вождение подобных воздухомобилей, как обычно предполагается, должны составлять порядка €0,75 на 100 км, при полной перезарядке баллонов на «баллонной станции» — около US$ [ уточнить ] 3.

Сжатый воздух [ править | править код ]

Сжатый воздух имеет низкую энергетическую плотность. При давлении 300 бар, энергетическая плотность может достигать около 0,1 МДж/литр (с учётом возможности нагрева воздуха), что сравнимо с ёмкостью электрохимических свинцовых аккумуляторных батарей. Однако по мере разряжения батарей напряжение на их выходах падает относительно не сильно; в автомобилях на химическом топливе обеспечивается постоянная мощность на выходе от первого до последнего литра этого топлива. В то же время, давление на выходе из баллонов падает по мере расходования воздуха. Газ в баллоне акваланга может быть сжат до 1000 Бар(100МПа), однако сейчас такие баллоны дороги и имеют малый объем.

Автомобиль обычного размера и формы потребляет на ведущем валу около 0,6—1,0 МДж на 1 км пути [3] , хотя совершенствование формы может привести к уменьшению этого числа.

Выбросы отходов [ править | править код ]

Как и другие технологии, не использующие сжигание топлива, использование транспортных средств на сжатом воздухе позволяет избавиться от выбросов на дорогах через выхлопные трубы, и переместить их на централизованные электростанции, что облегчает процесс утилизации этих выбросов. Однако в сжатый воздух таких транспортных средств необходимо добавлять смазывающие материалы для уменьшения сил трения и снижения износа пневмооборудования. Эти смазывающие материалы также впоследствии могут загрязнять окружающую среду.

Преимущества и недостатки [ править | править код ]

Транспортные средства на сжатом воздухе по многим параметрам сравнимы с работающими на аккумуляторных батареях, но имеют такие потенциальные преимущества:

• Почти как и транспорт на аккумуляторных батареях, транспортные средства на сжатом воздухе в конечном счёте получают энергию от электрических распределительных сетей. Это облегчает задачу снижения выбросов в месте использования такого транспорта в противоположность миллионам других транспортных средств.
• Использование технологий сжатого воздуха позволяет снизить стоимость производства транспортного средства примерно на 20 % за счёт отсутствия необходимости использования систем охлаждения, топливных баков, систем впрыска топлива и др [4] .
• Воздух сам по себе негорючий материал.
• Пневмодвигатели значительно меньше по массе и габаритам [5] .
• Пневмодвигатели работают на воздухе относительно невысокой температуры, и поэтому могут быть изготовлены из менее прочных и более лёгких материалов, таких как алюминий, пластик, тефлон, обладающие хорошими фрикционными свойствами и др.
• Изношенные баллоны экологически намного безопасней аккумуляторных батарей.
• Баллоны могут быть перезаряжены сжатым воздухом быстрее, и выдерживают большее количество циклов зарядки-разрядки, чем аккумуляторные батареи. По этому показателю транспортные средства на сжатом воздухе сравнимы с транспортом на жидком топливе.
• Меньший вес воздухомобилей снижает износ дорог, что снижает стоимость их содержания.
• Охлаждающийся при работе воздух без дополнительных затрат может подаваться в салон в жару (не требуется прожорливый кондиционер)

Недостатки

• Принципиальным недостатком является непрямое использование энергии. Сначала энергия используется для сжатия воздуха, а потом от сжатого воздуха передаётся двигателю. Каждое преобразование энергии осуществляется с потерями. То есть, как следствие более низкий КПД чем, например, у дизельного или, тем более, электротранспорта.
• Когда воздух в двигателе расширяется, он очень сильно охлаждается (см. закон Шарля), что может привести к обмерзанию и обледенению двигателя. В то же время, подогрев воздуха может быть проблематичен.
• Дозаправка сжатым воздухом в бытовых условиях может занимать около 4 часов, хотя на специальных станциях при наличии соответствующего оборудования этот процесс может занять лишь несколько минут, но при быстрой заправке компрессором(при отсутствии ресивера заправочной станции) сжимаемый воздух, попадает в баллоны нагретым, баллоны сильно нагреваются. При подобном адиабатическом сжатии возникает дополнительный нагрев сжимаемого воздуха, препятствующий продолжению сжатия, и для продолжения заправки баллоны приходится охлаждать (например, погружая в воду) при заправке, что приводит к дополнительным потерям энергии. Это может быть невозможно в автомобилях, и поэтому заправка в этом случае неизбежно займёт много времени, что может быть переложено на плечи заправочной станции, утилизирующей тепловую разницу адиабатического(технологически) и изотермического(до большей плотности) сжатия воздуха.
• Ранние тесты показали ограниченную энергоёмкость баллонов; единственный тест, результаты которого были опубликованы, показал, что транспортное средство, приводившееся в движение исключительно сжатым воздухом, смогло преодолеть максимальную дистанцию в 7,22 км [6] .
• Исследование 2005 года показало, что транспортные средства на литиево-ионных батареях имеют показатели втрое лучше, чем транспортные средства как на сжатом воздухе, так и на топливных элементах. Однако компания MDI в 2010 г. заявила, что воздухомобили будут способны преодолевать 180 км при вождении по городу и максимальной скорости 110 км/ч [7] , при движении только на сжатом воздухе.

Возможные улучшения [ править | править код ]

В транспортных средствах на сжатом воздухе протекают различные термодинамические процессы, такие как охлаждение при расширении и нагревание при сжатии воздуха. Поскольку на практике невозможно использовать идеальные теоретические процессы, то потери энергии обязательно происходят, и совершенствование может идти по пути их снижения. Одним из направлений может быть использование больших теплообменников, позволяющих, с одной стороны, эффективнее нагревать пневмодвигатель, а с другой, охлаждать пассажирский салон. В то же время, получаемое при сжатии воздуха тепло, может быть использовано для нагревания жидкостных (водных) систем и использовано позднее.

Один из производителей заявил о разработке пневмодвигателя, имеющего 90 % КПД [8] .

История [ править | править код ]

В начале XIX века использование сжатого воздуха в качестве привода различных систем было весьма широко распространено и стало исчезать лишь с продвижением в массовое использование электричества [10] . До этого пневмопривод находил воплощение в различных приборах — от пневмозвонков в дверях, пневмопочты, пневматического оружия и до предложенной в 1827 году пневматической железной дороги.

Сжатый воздух используется с XIX века для привода локомотивов в горной промышленности. Кроме того, в некоторых городах, например, в Париже, сжатый воздух использовался для привода трамваев, запитывавшихся от центральной общегородской пневматической распределительной сети. Ранее сжатый воздух использовался в двигателях торпед, обеспечивавших их движение вперёд.

Во время строительства Сент-Готардской железной дороги в период с 1872 по 1882 годы, пневматические локомотивы использовались при прокладывании Готардского железнодорожного туннеля.

В 1903 году компания «Сжиженный воздух» (англ. Liquid Air Company ), расположенная в Лондоне, производила автомобили на сжатом и сжиженном воздухе. Главными проблемами в этих автомобилях, как и вообще в автомобилях на сжатом воздухе, являлся (является) недостаточный вращательный момент пневмодвигателей и высокая стоимость сжатого воздуха [12]

В последнее время [ когда? ] несколько компаний начали разработку воздухомобилей на сжатом воздухе, хотя ни один из них не был выпущен для широкой публики, и не был протестирован независимыми специалистами.

В 1997 году мексиканское правительство заключила договор с европейской компанией MDI, представившей прототип Taxi Zero Pollution с, о постепенной замене таксопарка Мехико (одного из самых загрязненных мегаполисов мира) на «воздушный» транспорт. [13]

Транспорт на сжатом воздухе [ править | править код ]

Пневмовелосипеды [ править | править код ]

Трое студентов инженеры-механики из Университета штата Сан-Хосе; Даниэль Мекис, Деннис Шааф и Эндрю Мирович, спроектировали и построили велосипед, который работает на сжатом воздухе. Общая стоимость прототипа составила около 1000 долларов. Максимальная скорость была зарегистрирована в мае 2009 года и составила 23 миль/ч. (37 км/час) [14]

Мотоциклы [ править | править код ]

Мотоцикл на сжатом воздухе был сделан Эдвином Йи Юанем. Модель основана на Suzuki GP100 где Анжело Ди Пьетро использовал технологию сжатого воздуха [15] . Также модель от австралийского дизайнера Дина Бенстеда на базе Yamaha WR250R [16]

Мопеды [ править | править код ]

В рамках ТВ-шоу «Планета Механики», Джем Стэнсфилд и Дик Стравбридж превратили обычный скутер в мопед на сжатом воздухе. [17] [18] .

Автомобили [ править | править код ]

Несколько компаний занимаются исследованием и производством прототипов подобных автомобилей, планирует выпуск их на рынок в 2016 году.

Автобусы [ править | править код ]

Motor Development International (англ.) русск. производит автомобили MultiCATs, которые могут использоваться в качестве автобусов или грузовиков.

Турбонаддув. Подача дополнительного воздуха в цилиндры двигателя

Мощность, развиваемая двигателем, зависит от количества воздуха и смешанного с ним топлива, которое может быть подано в двигатель. Если нужно увеличить мощность дви­гателя, следует увеличить как количество подаваемого воздуха, так и топлива. Подача большего количества топлива не даст эффекта до тех пор, пока не появится достаточное для его сгорания количество воздуха, иначе образуется избыток несгоревшего топлива, что приводит к перегреву двигателя и повышенной токсичности отработавших газов.

Увеличение мощности двигателя может быть достигнуто путем увеличения либо его рабочего объема, либо частоты вращения коленчатого вала. Увеличение рабочего объема увеличивает вес, размеры двигателя и, в конечном итоге, его стоимость. Увеличение частоты вращения коленчатого вала проблематично из-за возникающих при этом технических проблем, особенно для двигателей с большим рабочим объемом.

Технически приемлемым решением проблемы увеличения мощности является использование нагнетателя (компрессора). Это означает, что подающийся в двигатель воздух сжимают перед его впуском в камеру сгорания.

Другими словами, компрессор обеспечивает подачу необходимого количества воздуха, достаточного для полного сгорания увеличенной дозы топлива. Следовательно, при прежнем рабочем объеме и той же частоте вращения коленчатого вала мы получаем большую мощность.

Основные системы наддува. Их работа

Существует две основные системы наддува:

• с механическим приводом
• «турбо» (использующие энергию отработавших газов)

Кроме того, существуют также комбинированные системы, например, турбокомпаундная.

Рис. Системы наддува двигателей:
1 ­– нагнетательное колесо; 2 – привод компрессора; 3 – коленчатый вал; 4 – приводное колесо

В случае компрессора с механическим приводом необходимое давление воздуха получают благодаря механической связи между коленчатым валом двигателя и нагнетательным колесом или компрессором. В турбоком­прессоре давление воздуха получают благодаря вращению турбины потоком отработавших газов.

Турбокомпрессор состоит из двух турбин, состоящих из нагнетательного колеса 2 и приводного 9, связанных между собой при помощи вала. Вал установлен на двух опорах 11 и 12, на которые постоянно подается масло, охлаждающее и смазывающее опоры.

Обе турбины вращаются в одном направле­нии и с одинаковой скоростью. Выходящие из цилиндров двигателя отработавшие газы имеют высокую температуру и давление. Они разгоняются до большой скорости (около 10 000 об/мин) и вступают в контакт с лопатками приводного колеса 9, и преобразует их кинетическую энергию в механическую энергию вращения (крутящий момент). С такой же скорость вращается и нагнетательное колесо турбины 2, которое подает сжатый воздух к двигателю. Нагнетательное колесо 2 выполнено таким образом, что уже при небольшом потоке отработавших газов достигается достаточное давление нагнетаемого воздуха. В режиме полной нагрузки двигателя достигается максимальное избыточное давление (1,1…1,6 кгс/см2) при частоте вращения коленчатого вала около 2000 об/мин и поддерживается постоянным при дальнейшем наборе частоты вращения вплоть до максимальной.

1 – трубопровод для подачи сжатого воздуха от турбины к диафрагме; 2 – нагнетательное колесо турбины; 3 – корпус нагнетательного колеса; 4 – промежуточный корпус; 5 – сбрасывающий клапан; 6 – диафрагма; 7 – пружина; 8 – диафрагменная камера; 9 – приводное колесо; 10 – корпус турбонагнетателя; 11,12 – опоры; А – подача воздуха от воздушного фильтра; B – подача воздуха к впускным клапаном; C – обводной канал сбрасывающего клапана для ограничения давления нагнетания; D – подача отработавших газов от двигателя; E – подача отработавших газов к выпускной системе; H – подача смазки; J – отвод смазки; K – подача сжатого воздуха для открытия сбрасывающего клапана

Между двигателем и турбокомпрессором существует связь только через поток отработавших газов. Частота вращения турбин напрямую не зависит от частоты вращения коленчатого вала двигателя и характери­зуется некоторой инерционностью, т.е. сначала увеличивается подача топлива, увеличивается энергия потока отработавших газов, а затем уже увеличивается частота вращения турбины и давление нагнетания, и в цилиндры двигателя поступает еще больше воздуха, что дает возможность увеличить подачу топлива. Этим объясняется повышенная дымность отработавших газов дизельных двигателей с наддувом.

Для предотвращения повышения давления больше необходимого при высоких частотах вращения предусмотрено специальное устройство состоящее из сбрасывающего клапана 5 и диафрагмы 6 с пружиной. Полость перед диафрагмой связана с давлением потока входящего воздуха через трубопровод 1. При увеличении давления, которое происходит с ростом частоты вращении коленчатого вала, диафрагма прогибается сжимая пружины и сбрасывающий клапан открывается. Отработавшие газы при этом проходят через дополнительный обводной канал С, что уменьшает частоту вращения приводного колеса турбины, а значит и нагнетательного колеса. Давление наддува при этом становится постоянным.

Для двигателей, работающих в широком диапазоне частот вращения коленчатого вала (к примеру, в легковом автомобиле), высокое давление наддува желательно даже на низких частотах. Именно поэтому будущее принадлежит турбокомпрессорам с регулируемым давлением. Небольшой диаметр современных турбин и специальные сечения газовых каналов способствуют уменьшению инерционности, т.е. турбина очень быстро разгоняется, и давление воздуха очень быстро достигает требуемого значения.

Для удовлетворения постоянно возрастающих требований, которые сегодня предъявляются к автомобильной технике в области расхода топлива, токсичности отработавших газов и уровня шума, разрабатываются электронные системы управлением наддувом, одна из которых представлена на рисунке.

На первом этапе, на основании определенного числа параметров, таких как температура охлаждающей жидкости, масла, впускаемого воздуха и отработавших газов, анализируется состояние двигателя. Измеряются также частота вращения коленчатого вала, положение педали акселератора и другие параметры. Все эти данные анализируются электронным блоком управления и используются для определения идеального в данных условиях давления наддува для двигателя.

На втором этапе это значение давления передается на исполнительные устройства, которые регулируют давление во впускной системе. При определении этого давления учитываются также критические условия работы двигателя, в частности, детонация. Аку­стические датчики позволяют распознать самовоспламенение, насколько малым бы оно ни было. Давление наддува в этом случае понижается. Эта операция повторяется до тех пор, пока детонация не исчезнет. Когда детонация прекращается, давление наддува снова возрастает до первоначального значения. Электронный блок управления также определяет идеальное давление наддува в случае повторяющейся детонации, во­зникающей, например, из-за использования низкокачественного топлива.

Электромагнитный клапан получает электрический сигнал, который определяет время его открывания, и работает, соответственно, как регулятор давления наддува.

Таким образом, на мембрану воздействует не все давление над­дува, а только его большая или меньшая часть, которая зависит от положения электромагнитного клапана.

При нажатой педали акселератора электронный блок управления подает команду на закрытие клапана, и все отработавшие газы направляются в турбину, из-за чего давление наддува возрастает и двигатель развивает зна­чительную мощность, что делает возможным резкое ускорение автомобиля. Как только желаемая скорость движения достигнута сбрасывающий клапан открывается, и давление наддува становится обычным.

Рис. Электронное управление турбонаддувом:
1 ­– информация о температуре всасываемого сжатого воздуха; 2 — информация о режиме работы двигателя; 3 — информация о температуре охлаждающей жидкости; 4 — информация о давлении во впускном трубопроводе: 5 — информация от датчика детонации; 6 –датчик детонации; 7 – двигатель; 8 – воздух, находящийся под давлением; 9 – заслонка моторного тормоза; 10 – электромагнитный клапан; 11 – воздушный фильтр; 12 — нагнетательное колесо; 13 – приводное колесо; 14 – сбрасывающий клапан; 15 – электронный блок управления

Волновой нагнетатель воздуха Comprex

Вариантом системы наддува для двигателей легковых автомобилей является волновой нагнетатель воздуха, известный также под названием Comprex. Приводимый от двигателя через зубчатый ремень 2, разделенный на секции ротор 7 вращается в цилиндрическом корпусе, имеющем с торцов щелевые окна для прохода свежего воздуха и выхода отработавших газов. Система окон и полостей выполнена особым образом, что позволяет волны давления потока 5 отработавших газов преобразовывать в повышенное давление потока 1 свежего воздуха.

Рис. Волновой нагнетатель:
1 – поток свежего воздуха под высоким давлением; 2 – зубчатый ремень; 3 – поток свежего воздуха под низким давлением; 4 – поршень двигателя; 5 – поток отработавших газов под высоким давлением; 6 – поток отработавших газов низкого давлением; 7 – ротор; 8 – щелевые окна

Существенным достоинством волнового нагнетателя является непосредственный газодинамический энергообмен между отработавшими газами и свежим воздухом без участия каких-либо промежуточных механизмов. Такой энергообмен происходит со звуковой и сверхзвуковой скоростью. Волновой обменник, как и механический нагнета­тель, автоматически реагирует на изменения нагрузки изменением давления наддува. При постоянном передаточном отноше­нии между двигателем и волновым нагнетателем энергооб­мен оптимален только для одного рабочего режима. Для устране­ния этого недостатка на торцах корпуса имеется ряд воздуш­ных «карманов» раз­ной формы и размера, благодаря которым диапазон оптималь­ной работы нагнетате­ля расширяется. Кро­ме того, это позволяет достичь благоприят­ного протекания кри­вой крутящего момен­та, чего невозможно осуществить с помо­щью других методов наддува.

Волновой, нагнета­тель, по сравнению с другими способами наддува, требует мно­го места для ремен­ной передачи и систе­мы трубопроводов. Это усложняет возможность его установки в условиях огра­ниченного объема подкапотного про­странства автомобиля.

Нагнетатель с изменяемой геометрией турбины для дизельных двигателей

Для дизельных двигателей находит применение нагнетатель с изменяемой геометрией турбины, позволяющий ограничивать поток отработавших газов через турбину при высокой частоте вращения коленчатого вала двигателя.

Рис. Турбонагнетатель с изменяющейся геометрией турбины:
а – положение направляющих лопаток при высокой скорости потока отработавших газов; б – положение направляющих лопаток при низкой скорости потока отработавших газов; 1 – крыльчатка турбины; 2 – управляющее кольцо; 3 – подвижные направляющие лопатки соплового аппарата; 4 – управляющий рычаг; 5 – управляющий пневматический цилиндр; 6 – поток отработавших газов

Подвижные направляющие лопатки 3 соплового аппарата изменяют попе­речное сечение каналов, через которые отработавшие газы устремляются на крыльчатку турбины. Этим они согласовывают возникаю­щее в турбине давление газа с требуе­мым давлением наддува. При низкой на­грузке на двигатель подвижные лопатки открывают небольшое поперечное сече­ние каналов так, что увеличивается про­тиводавление отработавших газов. Поток газов развивает в турбине высокую скорость, обеспечи­вая высокую частоту вращения вала на­гнетателя. При этом поток отработавших газов дейст­вует на более удаленную от оси вала об­ласть лопаток крыльчатки турбины. Та­ким образом, возникает большее плечо силы, которое дополнительно увеличи­вает крутящий момент. При высокой на­грузке направляющие лопатки открыва­ют большее поперечное сечение кана­лов, что уменьшает скорость течения потока отработавших газов. Вследствие этого турбо­нагнетатель при равном количестве отработавших газов меньше ускоряется и работает с мень­шей частотой при большем количестве газов. Этим способом ограничивается давление наддува. Поворотом управляющего кольца 2 изменяется угол направления лопаток, которые устанавливаются на желаемый угол либо непосредственно отдельным управляющим рычагом 4, укрепленным на лопатках, либо поворотными кулачка­ми. Поворот кольца осуществляется при помощи управляющего пневматического цилиндра 5 под действием разрежения или давления воздуха либо, как вариант, при помощи электродвигателя с обрат­ной связью по положению лопаток (дат­чик положения). Нагнетатель с из­меняемой геометрией в положении покоя открыт и поэтому безопасен, т. е. при от­казе управления ни он сам, ни двигатель не повреждаются. Происходит лишь по­теря производительности на низких час­тотах вращения коленчатого вала.

Подача воздуха в двигатель: устройство и схема работы

Принцип работы бензинового или дизельного двигателя внутреннего сгорания основан на преобразовании высвобождающейся в результате сжигания топлива энергии в полезную механическую работу. При этом в цилиндрах ДВС горит не только солярка, газ или бензин, а так называемая топливно-воздушная смесь.

За его забор и дальнейшую подачу в нужном количестве непосредственно в цилиндры мотора отвечает целый ряд отдельных элементов, которые входят в общую впускную систему двигателя. Далее мы поговорим о том, как реализована подача воздуха в двигатель, а также какое устройство и особенности имеет система подачи воздуха в двигатель на бензиновых и дизельных моторах.

Система подачи воздуха на бензиновых двигателях

Сразу отметим, что останавливаться на моторах, которые оборудованы устаревшей карбюраторной системой, мы не будем. Речь пойдет о ДВС с инжектором. В качестве примера давайте рассмотрим общее устройство системы подачи воздуха на модели авто с инжекторным двигателем.

Добавим, что хотя на разных моделях отечественного и иностранного производства схема реализации может несколько отличаться, общий принцип и конструкция остаются одинаковыми.

Система подачи воздуха состоит из следующих базовых элементов:

• воздухозаборник;
• воздушный фильтр в корпусе;
• впускной патрубок (патрубок впускной трубы);
• дроссельный патрубок;
• ресивер;

Воздухозаборник на разных автомобилях представляет собой пластиковую деталь, через которую атмосферный воздух «засасывается» в двигатель. Элемент обычно установлен в подкапотном пространстве так, чтобы забирать воздух по ходу движения авто, находится в области чуть ниже передних фар, ближе к радиаторной решетке, справа или слева. Такое место расположения позволяет эффективно забирать необходимое количество воздуха на разных режимах работы ДВС.

Следующим элементом является корпус воздушного фильтра и сам фильтр, который установлен внутри него. Обычно на большинстве автомобилей корпус с фильтром устанавливается в передней части моторного отсека, дополнительно под корпусом могут использоваться резиновые уплотнители-опоры. Что касается фильтра, фильтрующий элемент обычно является бумажным, площадь фильтрующей поверхности максимально увеличена.

В корпусе воздушного фильтра на многих авто также установлен важный электронный датчик ДМРВ (датчик массового расхода воздуха). Также этот датчик может располагаться и на других элементах системы до дроссельной заслонки.

Дроссельный патрубок крепится к ресиверу и дозирует объем воздуха, который подается во впускную трубу. За количество поступающего в мотор воздуха отвечает дроссельная заслонка, которая при помощи специального привода соединена с педалью газа. Еще на многих современных ТС педаль газа может быть электронной, то есть не имеет прямой связи с дроссельным узлом. В этом случае после нажатия на акселератор соответствующий сигнал подается на электродвигатель, управляющий дроссельной заслонкой.

Еще добавим, что дроссельный патрубок также имеет в своей конструкции ДПДЗ (датчик положения дроссельной заслонки) и РХХ (регулятор холостого хода). Благодаря наличию ДПДЗ на электронный блок управления двигателем (ЭБУ) подается сигнал, по которому контроллер «понимает», на какой угол открыта заслонка. На основании сигналов от ДМРВ, ДПДЗ и ряда других датчиков ЭБУ корректирует уровень подачи топлива в цилиндры через инжекторные форсунки в соответствии с тем или иным режимом работы ДВС.

Такое решение позволяет поддерживать и гибко изменять количество оборотов холостого хода тогда, когда дроссельная заслонка закрыта, то есть воздух идет в обход. Другими словами, РХХ управляет количеством воздуха, который подается по специальному каналу в обход закрытой дроссельной заслонки на холостом ходу.

Когда клапан-шток выдвигается полностью, его конусная часть перекрывает подачу воздуха мимо заслонки (клапан РХХ закрыт). Когда происходит его открытие, увеличивается количество воздуха, которое нарастает пропорционально степени смещения штока от седла. Общая степень перемещения штока напрямую зависит от количества шагов, которые выполнил шаговый электродвигатель.

Если двигатель холодный и работает на холостом ходу, тогда ЭБУ до прогрева «держит» завышенные (прогревочные) обороты ХХ и гибко реагирует на любые изменяющиеся нагрузки (включение габаритов, фар, климатической установки и т.д.) путем поднятия оборотов холостого хода. Это позволяет мотору стабильно работать.

После того, как двигатель прогреется, контроллер уменьшает количество подаваемого воздуха через РХХ и стремится всегда поддерживать строго определенную частоту вращения коленвала, однако на многих авто при изменении нагрузки в режиме ХХ блок управления все еще способен кратковременно повысить обороты.

Еще отметим, что когда водитель выключает зажигание, ЭБУ сначала переводит шток РХХ в закрытое положение, после чего приоткрывает клапан на нужное количество шагов, чтобы создать условия в виде достаточной подачи воздуха для нормального запуска агрегата в момент повторного пуска ДВС.

Система подачи воздуха в дизельный двигатель

Как известно, современный дизельный двигатель на разных автомобилях и спецтехнике обычно оснащается турбокомпрессором. Также данное решение активно используется и на турбобензиновых ДВС.

Другими словами, для получения необходимой отдачи от моторов силовую установку дополнительно турбируют. Дизельный агрегат с турбонаддувом получил название турбодизель. Давайте остановимся на схеме подачи воздуха в такие моторы более подробно.

На примере турбодизеля стоит выделить следующие элементы системы питания воздухом:

• воздухозаборник;
• воздухоочиститель (воздушный фильтр);
• турбокомпрессор;
• специальный воздушный радиатор (интеркулер);
• впускной коллектор;

С функцией воздухозаборника и воздушного фильтра мы уже ознакомились при рассмотрении атмосферного бензинового мотора. Что касается турбодвигателей на спецтехнике, которая работает в условиях сильной запыленности и общего загрязнения воздуха, используется многоступенчатая система очистки (двух или даже трехступенчатые схемы). В конструкцию может быть включен инерционный предварительный очиститель воздуха и другие подобные решения.

Итак, после прохода через фильтры, воздух втягивается в турбокомпрессор. После турбины воздух идет по трубопроводам уже под давлением, проходя через так называемый воздушный радиатор. Дело в том, что после сжатия в турбине воздух нагревается. При этом если его охладить перед подачей в цилиндры, тогда общая масса воздуха увеличивается.

Далее сжатый и охлажденный воздух попадает во впускной коллектор, а затем и в цилиндры дизельного двигателя. Что касается турбокомпрессора, данное устройство использует энергию отработавших газов. Если просто, газы под давлением вращают турбинное колесо, за счет такого вращения начинает крутиться и компрессорное колесо, которое закреплено на одном валу вместе с турбинным колесом. Затем выхлоп после турбины попадает в выпускную систему ТС и выводится в атмосферу.

Отметим, что существует много разновидностей турбин, которые отличаются по размерам, по своей производительности и могут иметь ряд индивидуальных отличий в общей схеме устройства. Еще добавим, что дизельный двигатель долгое время вообще не имел дроссельной заслонки по сравнению с бензиновыми аналогами. В двух словах, мощность в дизельном агрегате регулируется не количеством подаваемого в цилиндры воздуха, а количеством впрыскиваемого горючего.

Работает дроссельный узел тогда, когда нагрузки на двигатель минимальны, то есть мотор не нуждается в мощном потоке свежего воздуха. В этот момент заслонка частично перекрывает подачу воздуха, параллельно с этим срабатывает клапан системы рециркуляции отработавших газов EGR.

В результате оставшийся воздух перемешивается с выхлопными газами, после чего такая смесь снова поступает в цилиндры. Подача выхлопа вместе с воздухом снижает температуру в камере сгорания, в результате в отработавших газах отмечается уменьшение окиси азота.

Как увеличить подачу воздуха в двигатель: доступные способы

Как видно, от количества и качества поступающего в цилиндры воздуха напрямую будет зависеть и мощность силового агрегата. В целях получения улучшенной отдачи от ДВС многие автолюбители стремятся увеличить подачу воздуха в агрегат. Как правило, такая необходимость возникает в процессе тюнинга двигателя, после проведения каких-либо доработок и т.д.

Далее мы рассмотрим несколько возможных способов, которые при этом не предполагают кардинальных переделок (например, доработка каналов ГБЦ, замена турбины на более производительную и т.п.)

• Самым простым и бюджетным решением является установка фильтра нулевого сопротивления (нулевика). Хотя общий прирост мощности от такого решения небольшой, но на спортивных и специально подготовленных авто установка нулевика в комплексе с другими усовершенствованиями волне оправдана.

Однако этого не скажешь о гражданских авто со «стоковым» ДВС. В этом случае получается скорее вред, чем польза, так как фильтры нулевого сопротивления быстрее загрязняются и хуже очищают воздух, что может сказаться на ресурсе мотора. При этом никакого прироста мощности фактически не наблюдается.

• Еще одним способом подать в мотор больше воздуха является доработка элементов заводской системы. Речь идет о воздухозаборнике, патрубках, верхней крышке корпуса воздушного фильтра.

В самом начале необходимо измерить сопротивление воздуха на входе и после выхода из корпуса фильтра, после чего проводятся работы в целях уменьшения такого сопротивления.

• Также следует отметить, что иногда на профильных форумах встречается информация об электрическом вентиляторе во впуск (динамический вентилятор, завихритель воздуха, система динамического наддува, электрический турбонагнетатель и т.п.). В свое время на рынке выделялись производители Кamann, Simota и ряд других.

Устройство представляет собой патрубок, в котором устанавливается крыльчатка. Во время работы крыльчатка вращается, создавая спиралеподобные завихрения воздуха. По заверениям производителей такой воздух более холодный и лучше проникает в камеры сгорания.

В результате улучшается общий процесс смесеобразования, мощность двигателя растет, повышается эластичность во время работы ДВС на разных режимах, автомобиль демонстрирует улучшенные динамические характеристики.

Однако как показывает практика, особой пользы после установки таких решений нет. Более того, высокая стоимость на отметке около 300-400 у.е. и вовсе ставит целесообразность подобных экспериментов под большое сомнение.

• Еще в списке возможных решений для увеличения подачи воздуха можно отметить так называемый «холодный впуск». Подобное решение фактически предполагает вынос воздухозаборника из подкапотного пространства наружу, что позволяет снизить температуру поступающего воздуха и повысить его плотность.

В продаже встречаются готовые комплекты как для определенных моделей авто, так и универсальные. К преимуществам холодного впуска можно отнести увеличение мощности двигателя, снижение риска возникновения детонации, улучшение реакций на нажатие педали газа, незначительное уменьшение расхода топлива.

При этом существенно повышается вероятность попадания воды во впуск и гидроудара, а также намного быстрее загрязняется воздушный фильтр. Дело в том, что воздухозаборник ставится в «окна», которые отдельно делаются в бампере, в передней фаре и т.д.

Что в итоге

Как видно, на штатных атмосферных моторах с небольшой мощностью какие-либо манипуляции с системой подачи воздуха обычно не дают ощутимых результатов. Другими словами, самым правильным подходом является приобретение качественных воздушных фильтров и их своевременная замена с учетом особенностей эксплуатации конкретного ТС.

Что касается турбомоторов, намного важнее следить за исправностью работы и общим состоянием системы турбонаддува, правильно эксплуатировать турбину и т.д. Появление провалов при разгоне, масло в интеркулере и другие признаки указывают на необходимость проведения диагностики.

В результате снижается мощность мотора и его ресурс, двигатель начинает дымить, может работать на неправильной рабочей смеси. По указанным причинам следует регулярно и своевременно проводить техническое обслуживание системы питания воздухом.

Если же говорить о комплексном тюнинге двигателя, тогда доработка впускной системы позволяет получить дополнительный прирост мощности. Однако следует учитывать, что такое повышение обычно наблюдается на фоне общего улучшения производительности заранее подготовленного силового агрегата.

Какой срок службы воздушного фильтра. Через сколько километров производится рекомендуемая замена. В каких случаях и почему нужно менять фильтр раньше срока.

Завоздушивание топливной системы дизеля: признаки неисправности и диагностика. Как самостоятельно найти место подсоса воздуха, способы решения проблемы.

Устройство турбокомпрессора, главные элементы конструкции, выбор турбины. Преимущества и недостатки бензиновых и дизельных двигателей с турбонаддувом.

Тюнинг топливной системы атмосферного и турбо двигателя. Производительность и энергопотребление бензонасоса, выбор топливных форсунок, регуляторы давления.

От чего зависит срок службы турбонагнетателя дизельного ДВС. Особенности и рекомендации касательно эксплуатации и ремонта турбин с изменяемой геометрией.

Назначение и конструкция турбокомпрессора дизельного мотора. Принцип работы турбонагнетателя, особенности использования турбины на дизельном ДВС.