Общим направлением развития для всех поршневых ДВС (бензиновых, дизельных, роторно-поршневых и др.) является широкое применение наддува.

Устройство турбокомпрессора

Наддув¹ как эффективное средство повышения литровой мощности известен давно.

Примечания

1. Наддув производится для повышения давления и массовой плотности воздуха, подаваемого в цилиндры ДВС, при помощи компрессора — нагнетателя.

Сначала он появился в авиации 20-х годов, затем на гоночных автомобилях. Это были ротативные нагнетатели с механическим приводом (наиболее часто применялся нагнетатель типа «Руте» с двумя двух- или трехлопастными роторами). Затем они перекочевали на двигатели грузовых автомобилей. Как в отечественном, так и в зарубежном судовом двигателестроении этот тип нагнетателей применяется уже в течение нескольких десятилетий. В последние годы стали использовать нагнетатели с газотурбинным приводом — турбокомпрессоры (ТК); поэтому сейчас в серийно выпускаемых автомобильных двигателях малого и среднего рабочего объема в качестве агрегата наддува используется исключительно ТК. Его широкому распространению способствовали относительно низкая стоимость, технологичность, компактность и обеспечение высоких показателей двигателя. Особенно удобен ТК для двигателей катеров, тракторов и стационарных агрегатов, работающих длительное время в режиме постоянной частоты вращения вала двигателя.

Введение наддува и одновременное снижение рабочего объема двигателя позволяет снимать необходимую мощность при большем открытии дроссельной заслонки, поэтому двигатель значительную часть времени работает в области режимов, соответствующих наименьшим удельным расходам топлива. Резерв мощности для разгона и форсированных режимов обеспечивается наддувом.

Чему способствует наддув? Улучшается подготовка заряда к сгоранию, так как свежий заряд имеет повышенную плотность; увеличивается массовая скорость на входе в цилиндр, улучшаются параметры топливного заряда перед воспламенением. Благодаря этому повышается массовая скорость сгорания, увеличиваются максимальные значения давления и рабочей температуры.

Турбокомпрессор с заслонкой

Подавляющее большинство двигателей в мире производится для автомобилей, которые движутся в режиме частых ускорений и замедлений (особенно в городах), поэтому фирмы, выпускающие двигатели и ТК, занялись исследованиями новых ( или забытых старых, но с применением новых материалов) типов нагнетателей. Объясняется это тем, что радиально-осевой ТК, состоящий из газовой турбины, которая работает от выхлопных газов, и нагнетателя (оба колеса закреплены консольно на одной оси), имеет принципиальные недостатки: инерционность и зависимость подачи от энергии отработавших газов (ОГ). Именно инерционностью объясняется запаздывание достижения максимального крутящего момента и максимальной мощности по сравнению с частотой вращения коленчатого вала двигателя. Проблему можно решить как созданием дополнительных регулирующих устройств, так и возвращением к нагнетателям с механическим приводом.

Например, в Японии разработан ТК с изменяемой геометрией сопла для двигателя с рабочим объемом 2 л. Новый агрегат улучшает динамические характеристики двигателя, увеличивает крутящий момент на 12% и сокращает время выхода на режим максимального давления наддува. Диаметр входного отверстия сопла варьируется заслонкой с электронным управлением в соответствии с входным потоком воздуха. Входной поток воздуха ТК прямо пропорционален выходному потоку ОГ; таким образом изменение входа увеличивает эффективность работы турбоагрегата на низких и высоких частотах вращения.

Нагнетатели с механическим приводом менее инерционны, обеспечивают синхронное с частотой вращения коленчатого вала двигателя увеличение крутящего момента. К недостаткам приводных нагнетателей относят их значительные вес и габариты, а также более низкий КПД по сравнению с аналогичными ТК, повышенный уровень шума. Нагнетатели с механическим приводом требуют высокой точности изготовления; для получения высокого давления наддува при высоком КПД нагнетателя необходимо внутреннее охлаждение роторов. Стоимость их выше стоимости ТК.

Разрабатываются лопаточные нагнетатели коловратного типа с клиноременным приводом и регулируемым сечением на входе; исследуется возможность использования центробежных компрессоров с механическим приводом через бесступенчатый вариатор для согласования его производительности с характеристикой двигателя.

Одной из новых и весьма перспективных конструкций являются волновые обменники давления (ВОД) типа «Компрекс», которые используют как газотурбинный привод, так и механический. На привод агрегата расходуется около 1,0% мощности двигателя. Наддув с применением ВОД существенно повышает мощность двигателя в зоне эксплуатационных режимов. Так, например, для 4-цилиндрового ДВС рабочим объемом 1,7 л применение ВОД «Компрекс» дало повышение мощности до величины, эквивалентной мощности ДВС объемом 2,5 л. На двигателе «Заурер» мощностью 232 кВт форсировка по мощности составила 50 %, а по крутящему моменту 30—50%.

Применение нагнетателей (любого типа) потребовало разработки охладителей воздуха, называемых также промежуточными охладителями, так как при сжатии воздуха он нагревается. Охладители увеличивают экономичность двигателей и их мощность, поскольку плотность воздуха, поступающего в камеры сгорания, повышается. Температура воздуха на выходе достигает 120°С, а температура воздуха на входе во всасывающий коллектор должна быть в пределах 38—60°С. Оптимальная температура для дизелей примерно 50°С. Если наддувочный воздух охладить до более низкой температуры, то несмотря на увеличение плотности заряда мощность уменьшится, так как произойдет ухудшение процесса сгорания. Точное регулирование температуры промежуточного воздуха увеличивает мощность на 10%.

В настоящее время совершенствование рабочих процессов с целью повышения экономичности ДВС и снижения токсичности отработавших газов идет главным образом по пути применения обедненныхтопливо-воздушных смесей, т. е. смесей с уменьшенным содержанием бензина. В новейших экспериментальных конструкциях ДВС это позволило снизить расход топлива на 25—28%.

Как известно, для сгорания 1 кг бензина необходимо 15 кг воздуха. Таким образом нормальная топливо-воздушная смесь имеет состав 15:1. Состав смеси принято характеризовать коэффициентом избытка воздуха а. который представляет собой отношение количества воздуха на 1 кг топлива в данной смеси, к теоретически необходимому для полного сгорания этой порции топлива. Для нормальной смеси α=1,0; α>1 — соответствует обедненной и бедной смеси; α<1 — обогащенной и богатой. Если еще совсем недавно значения а не превышали 1,15, то на современных бензиновых двигателях оно доходит до 1,26.

Препятствием для применения обедненных смесей, а также и дальнейшего повышения частоты вращения коленчатого вала является то, что время сгорания поступившего в цилиндр заряда существенно увеличивается. Известно, например, что при α=1,67 время горения в 5 раз больше, чем при α=1,00. Наконец, при каких-то критических значениях а воспламенение обедненной смеси в обычных условиях ламинарного (упорядоченного, без перемешивания слоев) потока становится вообще невозможным.

Для того чтобы обойти это препятствие, потребовалась разработка каких-то специальных устройств и систем, обеспечивающих активное перемешивание смеси — турбулизацию, т. е. превращение ламинарного ее потока в турбулентный (вихреобразный), и так называемое послойное распределение заряда.

Сущность послойного распределения заряда в камере сгорания (КС) состоит в том, что поступившая порция смеси разделяется на слои с различным значением α — обогащенные и еще более обедненные. Обогащенная часть заряда в момент срабатывания свечи зажигания располагается у ее электродов. Она воспламеняется легко и обеспечивает быстрое воспламенение всего остального объема обедненной смеси.