Системы управления наполнением цилиндров зарядом рабочей смеси

Системы управления наполнением цилиндров зарядом рабочей смеси

Для двигателя с искровым зажиганием, работающего на гомогенных смесях, решающим фактором для создания крутящего момента, а тем самым и мощности, является количество воздуха на пуске. Поэтому, наряду с дозированием топлива, особое значение имеют системы, влияющие на наполнение цилиндра зарядом смеси. Некоторые из этих системы могут влиять и на содержание инертных газов в заряде смеси, а тем самым и на состав ОГ.

Управление наполнением цилиндров зарядом воздуха
Для сгорания топлива необходим кислород, который двигатель получает из подводимого воздуха. У двигателей с внешним
приготовлением смеси (впрыскивание топлива во впускной трубопровод), а также и посредственным впрыскиванием топлива, работающих на гомогенной смеси при лямбда = 1, создаваемый крутящий момент напрямую зависит от поступающей массы воздуха. Воздушным потоком, всасываемым в цилиндры, и тем самым наполнением цилиндра управляет дроссельная заслонка, находящаяся во впускном трубопроводе.

2357

1. Педаль -газа
2. Тросовый привод либо система тяга
3. Дроссельная заслонка
4. Впускной гракт
5. Поток воздуха на впуске
6. Воздух, поступающий через обходной (байпасный) канал
7. Регулятор холостого хода (механизм байпасного регулирования воздухо подачей)
8. Электронный блок управления
9. Входные переменные (электрические сигналы)

Обычные системы
В обычных системах (рис. 1) дроссельная заслонка 3 имеет механический привод. Изменение положения педали «газа» 1 передается на дроссельную заслонку через тросовый привод или систему тяг 2. Угловое положение дроссельной заслонки
влияет на площадь поперечного сечения открытой части впускного тракта 4, таким образом изменяется поток воздуха 5,
поступающего в цилиндры, и тем самым создаваемый крутя11 шй момент. Из-за более высоких потерь на трение холодному двигателю ему необходимо большее количество воздуха и топлива. Также повышенная потребность в воздухе появляется при подключении компрессора кондиционера,с тем чтобы компенсировать снижение мощности. Эта информация передается блоку управления 8 в виде электрических сигналов 9. Дополнительная потребность в воздухе обеспечивается либо  подключением через механизм 7 байпасной воздухоподачи, которая обеспечивает пропуск дополнительных воздушных потоков 6 в обход дроссельной заслонки, либо путем использования элек гроприводной дроссельной заслонки с  становленным минимальным углом поворота. Однако, в обоих случаях электронное регулирование подачей воздуха происходит в ограниченных пределах. 

Система EGAS (электронное управление дроссельной заслонкой) 

2358

1. Датчик положения педали «газа»
2. Электронный блок управления работой двигателя
3. Датчик углового положения дроссельной заслонки
4. Привод дроссельной заслонки(двигатель постоянного тока)
5. Дроссельная заслонка

В системе EGAS (электронное управление дроссельной заслонкой или, буквально, Elektronisches Gaspedal — «электронная педаль «газа») регулирование дроссельной заслонкой 5 (рис. 2) осуществляет электронный блок управления 2. Дроссельная заслонка скомпонована с приводом 4 (двигателем постоянного тока) и датчиком углового положения 3 в одни блок, пазываемый дросселHpyioiним устройством. Для управления этим устройством положение педали «газа» определяется двум я пи вереи вным 11 потен циометрами (датчик педали «газа» 1). Открытие дроссельной заслонки, необходимое для выполнения требования водителя, рассчитывается блоком управления двигателем с учетом фактического режима его работы (частота вращения коленчатого вала, температура двигателя и т.д.) и преобразуется в управляющие сигналы для привода дроссельной заслонки. Датчик углового положения дроссельной заслонки передает информацию о фактическом положении дроссельной заслонки, что делает возможным точную установку положения этой заслонки в соответствии с желанием водителя. Потенциометры педали «газа» и дросселирующего устройства, продублированные для обеспечения резерва, являются составными компонентами в системе EGAS. В случае возникновения неполадок в той части системы, что определяет мощность двигателя,дроссельная заслонка немедленно занимает определенное положение (аварийный режим). В современных системах управления работой двигателя система EGAS интегрирована в блок управления двигателем, который регулирует момент зажигания, впрыскивание топлива и различные дополнительные функции. Специальный блок управления EGAS в этих системах отсутствует. Система EGAS позволяет добиться более оптимального состава смеси для обеспечения все более строгих требований по снижению токсичности ОГ.

Регулируемые фазы газораспределения


Наряду с дросселированием посредством дроссельной заслонки всасываемого цилиндры заряда свежего воздуха существуют и иные возможности влияния наполнение цилиндра. Благодаря регулируемым фазам газораспределения
можно влиять как на количество свежего ряда, так и на долю остаточных ОГ.
Для установки фаз газораспределения имеет значение тот факт, что поведение поступающего в цилиндр заряда и выхлопных из него ОГ сильно изменяется, например, в зависимости от частоты вращения коленчатого вала или степени открытия дроссельной заслонки. При установке постоянных фаз газораспределения газобмен может быть оптимально отрегулирован только для одного определенного диапазона работы двигателя. Регулируемые фазы газораспределения позволяют вносить корректировки с учетом изменения частоты вращения коленчатого вала различного наполнения цилиндров рабочей смеси. Все это в результате дает следующие преимущиства:
• увеличение выходной мощности двигателя;
• благоприятная характеристика изменения крутящего момента (кривая) в широком диапазоне оборотов коленчатого вала;
• снижение выбросов вредных веществ с ОГ;
• уменьшение расхода топлива;
• снижение шумности двигателя.

 

Регулирование фаз газораспределения за счет поворота распределительного вала


В обычном двигателе коленчатый и расределительный валы связаны друг с другом механически (посредством зубчатого
ремня, шестерен или цепи). В двигателях с регулированием фаз газораспределения с помощью поворота распределительного вала (по меньшей мере распределительного вала привода впускных клапанов, хотя все чаще и выпускных) распределительный вал может поворачиваться относительно коленчатого вала, благодаря чему можно изменить перекрытие клапанов. Но на период открытого положения и высоту подъема клапана подобное поворачивание распределительного вала не влияет. Это означает, что положения фазы открытия и закрытия впускного клапана остаются неизменными относительно друг друга. Поворот распределительного вала осуществляется посредством электрического или электрогидравлического привода. Простые устройства могут повернуть этот вал только в одно из двух положений. Более сложные устройства позволяют в пределах определенного диапазона плавно поворачивать распределительный вал относительно коленчатого. На рис. I показано, как изменяются фазы или высота подъема впускного клапана (по отношению к ВМТ) при повороте впускного распределительного вала.

2359

1. Запаздывание открытия впускного клапана
2. Обычное откры тие впускного клапана
3. Опережение от крытия впускного клапана
А — перекрытие клапанов

Регилировака моментов открытия и закрытия впускного клапана на запаздывание
Задержка открытия впускного клапана приводит к более позднему его открытию и,тем самым, к малой продолжительности
перекрытия клапанов либо к полному отсутствию этого перекрытия. Соответственно, уменьшается обратное перетекание тчерез впускной клапан части ОГ, принявших участие в сгорании, во впускной трубопровод в диапазоне низких частот вращения коленчатого вала (<2000 мин1) Незначительная доля остаточных ОГ, которые проникли во впускной трубопровод и впоследствии поступают с новым зарядом в цилиндры, приводит на низких оборотах коленчатого вала к улучшенному протеканию процесса сгорания и более устойчивой работе двигателя на холостом ходу. Благодаря этому частоту вращения коленчатого вала на холостом ходу можно снизить, что сокращает расход топлива. На высоких оборотах коленчатого вала (>5000 мин*1) поворачивающийся распределительный вал также обеспечивает запаздывание закрытия впускных клапанов. Благодаря позднему закрытию впускного клапана спустя сравнительно продолжительное время после прохождения поршнем НМТ достигается лучшее наполнение цилиндра рабочей смесыо. Этот эффект дозаряда получается из-за высокой скорости прохождения свежей смеси через впускной клапан. Свежая смесь продолжает поступать и тогда» когда поршень движется вверх п сжимает смесь. Поэтому впускной клапан закрывается лишь спустя некоторое время после прохождения НМТ.

Регулировка моментов открытия и закрытия впускного клапана на опережение
В среднем диапазоне частот вращения коленчатого вала скорость прохождения свежей смеси через впускной клапан невелика. Поэтому в этом случае эффект дозаряда, возникающий при больших оборотах коленчатого вала, не происходит.
Раннее закрытие на средних оборотах впускного клапана — вскоре после прохождения поршнем НМТ — предотвращает
выдавливание поршнем свежей смеси назад во впускной трубопровод. Поворотом впускного распределительного вала в направлении опережения открытия впускного клапана обеспечивается в данном случае наилучшее наполнение цилиндра,
тем самым оптимизируется характеристика крутящего момента.

Такой поворот распределительного вала в направлении «опережение» приводит к большей продолжительности перекрытия клапанов. При раннем открытии впускных клапанов ОГ, не полностью вышедшие через выпускной клапан, незадолго до прохождения поршнем ВМТ выдавливаются через открытый впускной клапан во впускной трубопровод. При следующем рабочем цикле эти О Г снова поступают в цилиндр со свежей смесью и повышают долю остаточных газов в рабочей смеси. В результате, благодаря повороту распределительного вала в направлении «опережение», увеличенная доля остаточных ОГ в поступившей смеси (внутренняя рециркуляция газов) влияет на процесс сгорания таким образом, что из-за более низких температур снижается образование в ОГ оксидов азота. Более высокая доля инертных газов в цилиндре требует большего открытия дроссельной заслонки. Тем самым снижаются потери на дросселирование. Поэтому благодаря перекрытию клапанов можно достичь и снижения расхода топлива.

Регулировка моментов открытия и закрытия клапана за счет поворота распределительного вала


В системах с поворачиванием впускного и выпускного распределительных валов относительно коленчатого вала можно по
отдельности влиять как на общее наполнение цилиндров смесыо (определяется закрытием впускного клапана), так и на
долю в заряде остаточных ОГ (определяется открытием впускного и закрытием выпускного клапанов). 

Использование кулачков с разными профилями на распределительном валу 

2360

1. Основной профиль на кулачке
2. Дополнительный профиль на кулачке

Изменение фаз работы впускных и выпускных клапанов возможно при использовании кулачков с разными профилями на одном распределительном валу (рис. 2). Тем самым обеспечивается измененение как высоты подъема клапана, так и фаз газораспределения (изменение профиля кулачка). Основной профиль  задает оптимальные фазы газораспределения и высоту подъема клапанов для нижнего и среднего диапазонов частот вращения коленчатого вала. Дополнительный профиль обеспечивает более высокий подъем клапанов и более продолжительное время их открытия при высоких оборотах коленчатого вала. На низких и средних оборотах коленчатого вала небольшая высота подъема клапана с одновременным небольшим открытием дроссельной заслонки обеспечивают повышенную скорость всасывания смеси и, тем самым, лучшую степень турбулентности потока свежего воздуха (при непосредственном впрыске) либо рабочей смеси (при впрыске во впускной трубопровод). Таким образом, обеспечивается очень хорошее приготовление рабочей смеси на режиме частичной нагрузки. При высоких оборотах коленчатого вала и необходимости получения высокого крутящего момента (полная нагрузка) требуется максимальное наполнение. Для того устанавливается максимальная высота подъема клапана.

Выборочное введение в действие кулачков с разными профилями в зависимости от частоты вращения коленчатого вала
достигается, например, тем, что при продольном смещении распределительного валa коромысло, качающееся вхолостую,
сдиняется со стандартным коромыслом при высокой частоте вращения коленчатого вала. Другая возможность переключения профилей состоит в использовании заключающих тарельчатых толкателей.

Полновариантное газораспределение посредством распределительного вала 

2361

а — минимальная высота подъема клапана
Ь— максимальная высота подъема клапана

Газораспределение, при котором можно регулировать как высоту подъема клапана, так и фазы газораспределения, называются полновариантным. Объемные профили кулачков и смещаемый в продольном направлении распределительный вал обеспечивают еще большую свободу в регулировании газораспределения (рис. 3). При таком регулировании фаз газораспределения могут быть плавно скорректированы как высота подъема клапанов (только впускных) и, тем самым, продолжительность их открытого состояния, так и взаимное положение распределительного и коленчатого валов.

Такое полновариантное регулирование фаз газораспределения путем раннего закрытия впускного клапана делает
возможным управление нагрузкой, при котором можно добиться значительного снижения потерь на дросселирование
при впуске. Благодаря этому можно еще несколько снизить расход топлива по сравнению с обычным регулированием
фаз газораспределения.

Полновариантное газораспределение и изменение высоты подъема клапанов без использования распределительного вала
Максимальную степень свободы при регулировании фаз газораспределения и наибольшую возможность снижения расхода
топлива предоставляют системы с регулированием фаз газораспределения без участия распределительного вала. При таком регулировании открытие/закрытие клапанов осуществляют, например, электромагнитные исполнительные механизмы,
управляемые дополнительным блоком управления. Целью подобного полновариантного привода клапанов без использования распределительного вала является значительное снижение потерь на дросселирование смеси во впускном трубопроводе с очень малыми насосными потерями при газообмене. Дополнительной экономии топлива можно достичь путем отключения отдельных клапанов или цилиндров. Кроме того, такие полновариантные системы обеспечивают возможность не только наилучшего наполнения цилиндров смесью с получением максимального крутящего момента, но также и лучшего приготовления смеси, что позволяет уменьшить концентрацию вредных веществ в ОГ.

Управляемое движение заряда

Существенную роль в формировании идеальной рабочей смеси играют условия поступления воздуха во впускной трубопровод и цилиндры. Быстрое движения заряда обеспечивает хорошее перемешивание в смеси воздуха и топлива и, тем самым, полное сгорание с низкой концентрацией вредных веществ в ОГ. Существует несколько различных возможностей для ускорения перемещения рабочей смеси.

Выборочное введение в действие кулачков с разными профилями на одном распределительном валу Как уже было описано в разделе «Регулируемые фазы газораспределения», на низких и средних оборотах коленчатого вала выборочным введением в действие кулачков с разными профилями можно задать меньшую высоту подъема клапанов. Таким образом, за счет небольшого открытия впускного клапана обеспечивается высокая скорость поступления в цилиндр воздуха либо рабочей смеси. Тем самым при впрыске во впускной трубопровод достигается лучшее перемешивание смеси.

Заслонка управления движением заряда

2362

1. Впускной трубо провод
2. Дроссельная за спонка
3. Заслонка управления движением заряда
4. Перемычка
5. Впускной клапан

В системах с непосредственным впрыском используется другой способ. Вблизи впускного клапана впускной трубопровод разделен на два канала, один из которых может перекрываться заслонкой, управляющей перемещением заряда смеси
(рис. 1). Направленное движение заряда в сторону определенных частей впускных клапанов либо одного из двух впускных
клапанов приводит к получению вихревого движения смеси в камере сгорания.

Заслонка управления перемещением заряда позволяет управлять интенсивностью потока этого заряда. В условиях послойного распределения смеси такое регулирование обеспечивает ускоренную доставку смеси к свече зажигания и одновременно осуществляет оптимальное приготовление смеси. В условиях гомогенной смеси заслонка управления перемещением заряда, как правило, открыта при высоких оборотах коленчатого вала и высоком крутящем  моменте. На этом рабочем режиме необходимо, чтобы впускной тракт был открыт полностью — для обеспечения максимальной степени наполнения цилиндров смесью. Идеальная смесь может быть пригоговлена даже без увеличения скорости ее потока только за счет более раннего впрыскивания топлива в камеру сгорания (как можно раньше при такте впуска) в условиях высокой температуры.

Рециркуляция ОГ


На массу остаточного воздуха в цилиндре и тем самым, на долю инертных газов в заряде цилиндра можно повлиять за счет регулируемых фаз газораспределения. Это относится к «внутренней» рециркуляции ОГ (т.е. рециркуляции ОГ при перекрытии клапанов). Большие изменения в доле инертных газов в заряде цилиндра могут происходить за счет  использования внешней» рециркуляции ОГ, при которой ОГ, уже вытолкнутые из цилиндра, по спецальному трубопроводу возвращаются во впускной трубопровод (рис. 1). Применение системы рециркуляции ОГ обеспечивает ограничение эмиссии
оксидов азота и уменьшение расхода топлива.


Ограничение эмиссии оксидов азота с ОГ

Система рециркуляции ОГ является эффектным средством для снижения эмиссии оксидов азота. Благодаря добавлению к рабочей смеси ОГ, уже принявших участие в сгоорании, снижаются пиковые температуры при сгорании, в результате чего происходит уменьшение эмиссии оксидов азота, образование которых находится в очень большой зависимости от температуры.


Снижение расхода топлива


За счет рециркуляции ОГ увеличивается общее наполнение цилиндра при остаются постоянным количестве подаваемого в цилиндр свежего воздуха. Поэтому требуемый крутящий момент можно получить без дополнительного дросселилания, следствием чего является более низкий расход топлива.

2363

1. Поступление свежего заряда воздуха
2. Дроссельная за слонка
3. Отвод части потока ОГ из выпускного коллектора
4. Блок управления двигателем
5. Клапан системырециркуляции ОГ
6. ОГ
n — частота вращение коленчатого вала
rj— коэффициент наполнения цилиндра воздухом

Принцип действия системы рециркуляции ОГ


В зависимости от режима работы двигателя блок управления двигателем 4 (см. рис. I) воздействует на клапан 5 (с электроприводом) системы рециркуляции ОГ и, тем самым, изменяет поперечное сечение отверстия, через которое от выпускного коллектора отводится часть 3 потока ОГ и добавляется к всасываемому свежему воздуху 1. Тем самым определяется доля ОГ в заряде смеси цилиндра.

Система рециркуляции ОГ при непосредственном впрыске


Система рециркуляции ОГ используется для снижения расхода топлива и уменьшения эмиссии оксидов азота в том числе
и в двигателях с непосредственным впрыском. Более того, при работе этих двигателей без нее нельзя обойтись, так как именно благодаря рециркуляции ОГ эмиссия оксидов азота в условиях работы на обедненных смесях снижается настолько, что можно обойтись без применения иных мер очистки ОГ (например, применение каталитического нейтрализатора оксидов
азота накопительного типа при работе в условиях гомогенного распределения обогащенной смеси). Это также сокращает
и расход топлива. Для того чтобы ОГ начали поступать через клапан системы рециркуляции ОГ, необходимо, чтобы между впускным трубопроводом и выпускным коллектором  существовала разница давлений. Но двигатели с непосредственным впрыском практически не дросселируются и на режиме частичной нагрузки. Кроме того, в условиях работы на обедненной смеси через клапан системы рециркуляции ОГ во впускной трубопровод направляется немалое количество кислорода. Это требует определенного алгоритма управления, который бы координировал работу дроссельной заслонки и клапана системы рециркуляции ОГ. Следовательно, к системе рециркуляции ОГ должны предъявляться повышенные требования: она должна работать точно и надежно, а также препятствовать образованию отложений, которые могут образовываться в системе выпуска при низких температурах ОГ.

Динамический наддув

Крутящий момент двигателя пропорционален доле свежей смеси в наполнении цилиндра. Поэтому максимальный крутящий момент может быть до определенных пределов увеличен путем сжатия воздуха перед его поступлением в цилиндр.
На процессы газообмена влияют не только фазы газораспределения, но и конструкция впускного и выпускного трактов.
Работа поршня при такте впуска приводит при открытии впускного клапана к образованию волны противодавления. На открытом раструбе впускного трубопровода эта волна давления встречается с массой неподвижного окружающего воздуха, отражается от нее и движется обратно к впускному трубопроводу. Возникающие вследствие этого колебания давления у впускного трубопровода можно использовать для увеличения наполнения цилиндров зарядом свежей смеси и, тем самым, получения большего максимального крутящего момента. Такой эффект наддува основан на использовании динамических свойств воздуха на впуске. Динамические эффекты во впускном трубопроводе зависят от геометрических форм этого трубопровода, а также от частоты вращения коленчатого вала.

Для равномерного распределения рабочей смеси во впускном трубопроводе карбюраторных двигателей и двигателей с одноточечным впрыском необходимо использовать короткие отдельные патрубки, которые должны быть по возможности одинаковой длины для всех цилиндров. В системах многоточечного впрыска топливо впрыскивается во впускной трубопровод непосредственно на впускной клапан или в камеру сгорания (непосредственный впрыск). В данном случае по впускному трубопроводу, по существу, движется только воздух. Это предоставляет большой диапазон конструктивных решений для впускного трубопровода, т. к. на его стенках практически не отлагается топливо. Поэтому в системах с многоточечным впрыском отсутствуют проблемы с равномерным распределен нем топлива.

Инерционный наддув

2364

1. Цилиндр двигателя
2. Отдельная резонаторная трубка
3. Сборная камера
4. Дроссельная заслонка

При инерционном наддуве (рис. 1), применяемом в системах многоточечного впрыска, каждый цилиндр имеет свою отдельную резонаторную трубку 2 определенной длины,подсоединенную к сборной камере 3. В таких резонаторных трубках волны сжатия, идущие от цилиндров, могут распространяться независимо друг от друга. Эффект наддува зависит от геометрии элементов впускного трубопровода и частоты вращения коленчатого вала. Длина и диаметр отдельных резонаторных трубок согласуются с фазами газораспределения таким образом, чтобы требуемом диапазоне оборотов коленчатого вала волна сжатия, отражающаяся на конце резонаторнои трубки, вернулась через открытый впускной клапан цилиндра 1, тем самым, обеспечивая лучшее наполнение цилиндра. Длинные тонкие резонагорные трубки дают больший эффект инерционного наддува при низкой частоте вращения коленчатого вала. Короткие широкие резонаторные трубки способствуют получению лучщей характеристики крутящего момент в диапазоне высоких оборотов коленчатого вала.

Резонансный наддув


В столбе рабочей смеси во впускном трубопроводе при определенной частоте вращения коленчатого вала возникают
резонансные колебания, вызываемые возвратно-поступательным движением поршня. Это приводит к дальнейшему повышению давления и дополнительному эффекту наддува.

2365

Рис. 2
1. Цилиндр
2. Короткая впускная трубка
3. Резонансная камера
4. Резонансный впускной трубопровод
5. Сборная камера
6. Дроссельная заслонка
А, В — группы цилиндров

 

Для получения резонансного наддува (рис. 2) группы цилиндров 1 с идентичными моментами зажигания (по углу поворота коленчатого вала) соединяются через короткие впускные трубки 2 со своей резонансной камерой 3. Эти камеры, в свою очередь, через резонансные впускные трубопроводы 4 связаны либо с атмосферой, либо со сборной камерой  и действуют как резонаторы Гельмгольца. Разделение системы впуска на группы цилиндров с двумя резонаторными впускными трубопроводами предотвращает перекрытие процессов наддува в двух соседних по порядку зажигания цилиндров.
Диапазон оборотов коленчатого вала, при котором должен происходить эффект резонансного наддува, определяет длину резонансных впускных трубопроводов и размер резонансных камер. Большие общие накопители, что иногда бывает необходимо, могут, однако, из-за эффекта аккумулирования, приводить к динамическим сбоям при резких изменениях нагрузки.

 

Впускной трубопровод с изменяемой геометрией


Дополнительное наполнение цилиндров, благодаря динамическому наддуву, определяется режимом работы двигателя.
Описанные выше системы инерционного и резонансного наддува обеспечивают возможность получения максимального
коэффициента наполнения цилиндров, прежде всего, в диапазоне низких оборотов коленчатого вала (рис. 3). 

2366

Рис.3
1. Система с резонансным наддувом
2. Система с обычным впускным трубопроводом

Почти идеальной характеристики крутящего момента можно достичь при использовании впускного трубопровода с изменяемой геометрией, когда, в зависимости от рабочего режима двигателя, при помощи специальных заслонок можно производить:
• регулирование длины резонаторных впускных трубок;
• изменение длины или диаметра резонаторных трубок;

• по выбору — отключение одной отдельной впускной трубки на цилиндр из системы нескольких трубок;
• изменение объемов накопителей.


В этих системах с изменяемой геометрией применяются заслонки с электроприводом или электропневмоприводом

Изменение геометрии впускного трубопровода при инерционном наддуве


При инерционном наддуве во впускном трубопроводе с изменяемой геометрией (рис. 4)

2367

Рис. 4
а — геометрия впускного трубопровода при закрытой заслонке
b — геометрия впускного трубопровода при открытой заслонке
1. Переключающая заслонка
2. Сборный резервуар (накопитель)
3. Длинная узкая резонирующая впускная трубка при закрытой переключающей заслонке
4. Короткая широкая резонирующая впускная трубка при открытой переключающей заслонке

возможно переключение между двумя разными резонирующими впускными трубками. При низких оборотах коленчатого вала переключающая заслонка 1 закрыта и поступающий воздух устремляется к цилиндрам подлинной резонирующей впускной трубке 3. При высоких оборотах коленчатого вала переключающая заслонка 1 открывается и поступающий воздух проходит через короткую широкую впускную трубку 4, тем самым происходит лучшее наполнение цилиндра.

Изменение геометрии впускного трубопровода при резонансном наддуве 

С открытием резонансной заслонки подключается дополнительный резонансный впускной трубопровод, таким образом изменяется частота собственных колебаний системы впуска. Этим улучшается наполнение цилиндра в нижнем диапазоне частот вращения коленчатого вала.

Изменение геометрии впускного трубопровода при инерционном и резонансном наддуве 

Использование инерционного и резонансного наддува возможно в комбинированной конструкции впускного трубопровода (рис. 5). Когда при открытии заслонки 7 объединяются две резонансные камеры 3, что позволяет получить воздухосборник
(накопитель) для коротких резонирующих впускных трубок 2, характеризующихся высокой частотой собственных колебаний (инерционный наддув).

2368

Рис. 5
1. Цилиндр
2. Резонирующпя впускная трубка (короткая)
3. Резонансная камера
4. Резонансный впускной трубопровод
5. Сборный резервуар (накопитель)
6. Дроссельная заслонка
7. Переключающая заслонка
А, В — группы цилиндров
а — условия работа впускного трубопровода при закрытой переключающей заслонке
b — условия работы впускного трубопровода при открытой переключающей заслонке

 

На низких и средних оборотах коленчатого вала переключающая заслонка 7 закрывается и начинает действовать резонансный наддув. Низкая частота собственных колебаний определяется длинным резонансным впускным трубопроводом 4.

Механический наддув


Конструкция и принцип действия 
Большее, чем при динамическом наддуве, наполнение цилиндра и, тем самым, повышение крутящего момента возможно при использовании воздухонагнетателей. При механическом наддуве нагнетатель приводится в действие непосредственно от двигателя. Нагнетатели (компрессоры) с механическим приводом могут быть объемными нагнетателями различных конструкций (нагнетатель Roots, нагнетатель скользящими лопатками, поршневой нагнегатель, винтовой нагнетатель или центробежными компрессорами. На рис.I показан принцип действия роторного винтового нагнетателя типа Листовым с двумя винтами, вращающимися навстречу друг другу. Как правило, обороты коленчатого вала двигателя и вала нагнетателя согласованы между собой посредством ременного привода.

2369

Рис.1
1. Всасываемый воздух
2. Сжатый воздух

Управление давлением наддува


Регулирование давления наддува механического нагнетателя осуществляется через байпасное устройство. Часть сжатого
воздуха напрямую попадает в цилиндр и определяет его наполнение, а другая часть устремляется через байпасное устройство обратно на вход нагнетателя. Управляет байпасным клапаном система управления двигателем.

Преимущества и недостатки механического наддува
При механическом наддуве, благодаря непосредственному приводу нагнетателя от коленчатого вала двигателя, частота вращения вала нагнетателя напрямую зависит от оборотов коленчатого вала. За счет этого достигаются больший крутящий момент и лучшие динамические характеристики двигателя по сравнению с турбонаддувом (использование энергии ОГ).

Но механический наддув осуществляется за счет затраты мощности двигателя, что приводит к дополнительному расходу топлива. Этот недостаток можно уменьшить, если система управления двигателем имеет возможность посредством муфты отключать нагнетатель при малых нагрузках двигателя.

 


 

История создания автомобилей с компрессорными двигателями

Компания Daimler-Motoren-Gesellschaft в 1921 г. на Берлинской автомобильной выставке представила модели легковых
автомобилей 6/20 PS и 10/35 PS с 4-цилиндровыми двигателями, оснащенными нагнетателем (компрессором). В 1922 г. автомобиль с таким двигателем впервые участвовал в автомобильных гонках. Макс Зайлер, управляя автомобилем Mercedes 28/95 PS (с компрессорным двигателем) выиграл в гонках серийных автомобилей Тарга Флорио на Сицилии. В 1924 г. на Берлинской автомобильной выставке были представлены новые модели легковых автомобилей Mercedes 15/70/100 PS и 24/100/140 PS с 6-цилиндровым компрессорным двигателем. В этом же году фирма NSU установила сенсационные рекорды скорости и добилась победы на гоночной трассе Авус в Берлине благодаря гоночному автомобилю модели 5/15 с компрессорным двигателем. Автомобиль Mercedes-Benz модели S в 1927 г. обеспечил трехкратную победу в гонке, открывшей трассу в Нюрбургринге. Победителем стал Рудольф Караччиола. 6-цилиндровый двигатель рабочим объемом 6,8 л развивал мощность 120 л. с.'без компрессора и 180 л. с. с компрессором. В 1932 г. Манфред фон Браухич на автомобиле Mercedes-Benz SSKL (-SuperSport-KurzLelcht» — «супер-спорт-короткий-легкий») победил на гоночной трассе Авус в Берлине и установил новый мировой рекорд скорости в этом классе, достигнув 200 км/ч. Модель SSKL в развитии серии S стала последней. В 1934 г. началась эра автомобилей Silberpfeile («Серебряные стрелы»). На Международных гонках в Нюрбургринге фон Браухич победил на «Серебряной стреле», установив новый рекорд скорости. В 1938 г. на этой модели обтекаемой формы был установлен рекорд скорости при движении по общественным дорогам, который держится до сих пор, — 432,6 км/ч на 1 км пути. «Серебряные стрелы- с компрессорными двигателями, кроме Mercedes-Benz, собирала фирма Auto-Union, что приводило к захватывающим дуэлям "'Стрел» этих соперников.

В 1934 г. на Берлинской автомобильной выставке был представлен Mercedes-Benz 500К с 8-цилиндровым компрессорным
двигателем. В 1936 г. появилась следующая модель с еще более мощным двигателем рабочим объемом 5.4 л. В 1938 г. на Международной выставке автомобилей и мотоциклов в Берлине был показан Grosser Mercedes («Большой Мерседес») модели 770 (W150) с 8-цилиндровым компрессорным рядным двигателем рабочим объемом 7,7 л. Этот двигатель развивал мощность 230 л. с. По сравнению с применяемыми сегодня компрессорными двигателями литровая мощность тогдашних моторов была, скорее, скромной. Двигатель автомобиля Mercedes SLK, появившегося на дорогах в конце XX века, при рабочем объеме 2,3 л развивает мощность 142 кВт (192 л. с.) при 5300 мин'1.

2370

Автомобиль Mercedes 23/95 PS, 1922 г.
Автомобиль Mercedes 24/Г00 с 6-цилиндровым двигателем. 1924 г.
Автомобиль Mercedes модели S с 6-цилиндровым двигателем рабочим объемом 6.8 л. мощностью 180 л. е., 1927 г.
Автомобиль Mercedes 500К с 8-цилиндровым двигателем. 1934 г. 1938 г.
Автомобиль Grosser 4k-'cedes («Большой Мерседес-) модели 770 W150)c двигателем рабочим объемом 7.7 г мощностью 230 лс . 1938г.


 

Турбонаддув


Среди известных способов наддува наиболее распространенным является Турбонаддув с использованием энергии ОГ. Этот способ делает возможным достижение большого крутящего момента и мощности при относительно высоком КПД даже у двигателей с малым рабочим объемом.
Если еще несколько лет назад турбонаддув применялся, главным образом, для повышения такого показателя как отношение мощности двигателя к его весу, то в настоящее время он все чаще применяется для увеличения максимального крутящего момента на малых и средних оборотах коленчатого вала. Это относится в частности, к системам, сочетающим турбонаддув с электронным регулированием давления наддува.

Конструкция и принцип действия

2371

Рис. 1
1. Рабочее колесо компрессора
2. Вал
3. Газовая турбина
4. Вход потока ОГ
5. Выход сжатого воздуха

 


К основным элементам турбокомпрессора приводимого в действие отработавшими газами (рис. 1), относятся газовая турбина 3 и нагнетатель (компрессор) 1, рабочие колеса которых расположены на общем валу 2. 

2372

Рис. 2
1. Импульсный клапан
2. Пневматическая управляющая магистраль
3. Компрессор
4. Газовая турбина
5. Вход наружного воздуха (свежий воздух)
6. Клапан регулировки давления наддува
7. Поток ОГ
8. Заслонка в обходном канале
9. Обходной канал управляющий сигнал для импульсного клапана
Vt - объемный расход ОГ проходящих через турбину
Vwg - объемный расход ОГ. проходящих через обходной канал
P2 - давление наддува
Pd - давление на диафрагму заслонки

 

Горячие отработавшие газы 7 (рис. 2) действуют на лопатки газовой турбины 4, придавая ей быстрое вращательное движение (до 250 ООО мин*1). Лопасти колеса турбины направляют ОГ к центру — на выход из турбины вдоль ее оси. В компрессоре, вращающемся вместе с колесом турбины, происходит обратное. Свежий воздух 5 (рис. 2) поступает к центру компрессора вдоль его оси и нагнетается при движении к периферии. Турбокомпрессор расположен непосредственно в потоке горячих ОГ и поэтому должен изготавливаться из термостойких материалов.

Типы конструкций турбокомпрессоров


Турбонагнетатель с обходным каналом Двигатель должен развивать высокий крутящий момент даже на малых оборотах коленчатого вала, поэтому корпус турбины конструируется в расчете на небольшой поток ОГ (например, полная нагрузка — при п < 2000 мин1). Для того чтобы работающий турбонагнетатель не перегружал двигатель при больших потоках  ОГ, часть потока ОГ необходимо пропускать через обводной канал 8 (рис. 2) — в обход турбины — в выпускной тракт. Обычно в таком канале, выполненном в корпусе турбины, устанавливается заслонка. Эта заслонка приводится в действие клапаном 6 регулировки давления наддува. Клапан через управляющую магистраль 2 пневматически связан с импульсным клапаном 1, управляя которым посредством электросигналов, блок управления двигателя регулирует давление наддува. Датчик давления наддува поставляет блоку управления информацию о фактическом давлении наддува. При слишком низком давлении наддува блок управления воздействует на импульсный кланам, так чтобы в управляющей магистрали преобладало низком давление. Клапан регулировки давления наддува закрывает заслонку в обходном канале, и к турбине направляется больший поток О Г.

При слишком высоком давлении наддува блок управления воздействует на импульсный клапан так, чтобы в управляющей магистрали преобладало повышенное давление. Клапан регулировки давления наддува открывает заслонку, и доля протекающих через турбину ОГ
снижается.

Турбонагнетатель с изменяемой геометрией турбины

2373

Рис. 3
а — положение направляющих лопатой для получения высокого давления наддува
b — положение направляющих лопаток для получения низкого давления наддува
1. Газовая турбина
2. Регулирующее кольцо
3. Направляющая лопатка
4. Регулировочный рычаг
5. Барометрический датчик
6. Поток ОГ высокая скорость потока

Турбина с изменяемой геометрией предоставляет еще одну возможность ограничения потока ОГ при высоких оборотах коленчатого вала (рис. 3). Такие нагнетатели широко применяются на дизелях. На двигателях с искровым зажиганием они еще довольно редки из-за высоких термических нагрузок, вызванных свойственными этим двигателям более горячими потоками ОГ. Регулируемые направляющие лопатки 3 (рис. 3) изменяют поперечное сечение потока ОГ, и, тем самым, — давление газа у турбины в соответствии с требуемым
давлением наддува. На малых оборотах коленчатого вала они обеспечивают небольшую площадь поперечного сечения отверстий для прохода газа, так чтобы поток ОГ развивал в турбине высокую скорость, разгоняя ее до высокой частоты вращения (рис. За). При высоких оборотах коленчатого вала регулируемые направляющие лопатки обеспечивают увеличение поперечного сечения отверстий для прохождения ОГ, гак чтобы поток ОГ не разгонял газовую турбину до слишком высоких скоростей, тем самым ограничивается давление наддува (рис. Зb). За счет поворота регулировочного кольца 2 можно добиться изменения угла установки направляющих лопаток. При этом лопатки регулируются либо отдельными, установленными на лопатках, рычагами 4, либо кулачками. Поворот регулировочного кольца осуществляется пневматическим способом за счет понижения либо повышения давления с помощью барометрического датчика 5. Регулировку этого исполнительного механизма осуществляет система управления двигателем, благодаря чему можно установить оптимальное давление наддува в зависимости от режима работы двигателя.

Преимущества и недостатни турбонаддува

2374

Рис. 5
1,3 — безнаддувный двигатель на установившемся рабочем режиме
2,4 — турбонаддувный двигатель на установившемся рабочем режиме
5 — кривая изменения крутящего момента турбонаддувного двигателя на неустановившемся (динамическом) рабочем режиме


При сравнении безнаддувного и турбонаддувного двигателей одинаковой мощности последний имеет сниженный вес, меньшие массу и размеры, а в рабочем диапазоне оборотов коленчатого вала — лучшую характеристику крутящего момента (кривая 4 по сравнению с кривой 3, рис. 5). По этой причине образуется более высокая выходная мощность при одинаковой частоте вращения (Л—>В). Благодаря более оптимальной характеристике крутящего момента при полной нагрузке двигатель с турбонаддувом вырабатывает необходимую мощность уже на низких оборотах (см. В и С, рис. 5). На режиме частичной нагрузки дроссельная заслонка должна оставаться открытой. По этой причине условия работы двигателя перемещаются в диапазон со сниженными значениями потерь на трепне и дросселирование (С—»В). Таким образом снижается расход топлива, несмотря на то, что ДВС с турбонаддувом характеризуется несколько худшим КПД из-за снижения степени сжатия двигателя.

К недостаткам двигателя с турбонаддувом следует отнести низкий крутящий момент при очень низких оборотах коленчатого вала. Энергии, содержащейся в ОГ в этом диапазоне частот вращения, для привода турбины не хватает. На неустановившемся режиме работы двигателя характеристика крутящего момента хуже и на средних оборотах, чем у двигателя без наддува (кривая 5). Причину следует искать в том, что поступление потока ОГ происходит с задержкой. Задержка в работе турбонагнетателя возникает при ускорении с малых значений частоты вращения. Эту задержку можно компенсировать использованием динамического наддува, обеспечивающего  оптимальную работу турбокомпрессора при ускорении. Другими вариантами может быть использование дополнительного электродвигателя для привода турбокомпрессора или дополнительного компрессора с электроприводом. Они ускоряют вращение рабочего колеса компрессора или поток воздуха независимо от потока ОГ и предотвращают возникновение указанной задержки.

Охлаждение наддувочного воздуха


При сжатии воздух в компрессоре нагревается. Поскольку нагретый воздух обладает меньшей плотностью по сравнению с холодным, подобный разогрев отрицательно сказывается на наполнении цилиндров. Охлаждение сжатого и нагретого воздуха осуществляется охладителем наддувочного воздуха, что приводит к повышению наполнения цилиндров. Более низкая температура воздуха ведет и к более низкой температуре заряда смеси в цилиндре, сжатого в ходе такта сжатия. Это дает следующие преимущества:
• понижение склонности к детонации;
• повышение термического КПД и, тем самым, снижение расхода топлива;
• уменьшение термической нагрузки на поршни;
• уменьшение эмиссии оксидов азота с ОГ.