Существует следующие основные системы наддува: с механическим приводом (рис. 7.1, а) и «турбо» (рис. 7.1, б) (использующие энергию отработавших газов). Кроме того, существуют также комбинированные системы, например, турбокомпаундная (рис. 7.1, в).
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 промежуточного и боковых корпусов, двух турбин, состоящих из нагнетательного колеса 2 и приводного 9, связанных между собой при помощи вала (рис. 7.2). Вал установлен на двух опорах 11 и 12, на которые постоянно подается масло, охлаждающее и смазывающее опоры. Смазка подшипников и вала производится системой смазки двигателя. Масло проходит через множество каналов между корпусом и подшипником, а также между подшипником и валом. Масло не только смазывает, но и охлаждает нагретые детали.
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 10 000 об/мин и более, вступая в контакт с лопатками приводного колеса 9, и преобразует их кинетическую энергию в механическую энергию вращения. С такой же скоростью 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 0,11…0,16 МПа (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.
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 на режимах разгона.
Для предотвращения повышения давления больше необходимого при высоких частотах вращения предусмотрено специальное устройство, состоящее из клапана управления 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.
Турбина работает в условиях высокой температуры, поэтому ее элементы изготавливаются из жаропрочных материалов: турбинное колесо — из железоникелевого сплава, корпус – из стали.
Привод клапана управления может осуществляться с помощью давления или разрежения воздуха, а также электродвигателем.
На рис. 7.3. показан управление клапаном с помощью сжатого воздуха.
Клапан управления 1 турбокомпрессора автомобиля Volvo расположен в корпусе турбокомпрессора. Исполнительный механизм 2 управляет работой клапана управления. Исполнительный механизм управляется пневматически через клапан 3, на который подается сжатый воздух из пневматической системы автомобиля. Во впускной трубе расположен датчик давления, измеряющий давление нагнетаемого воздуха. Если его давление не соответствует заданному, блок управления двигателем посылает PWM-сигнал (Pulse Width Modulated — с широтно-импульсной модуляцией) на клапан 3, который управляет исполнительным механизмом. Управление перепускным клапаном турбокомпрессора осуществляется посредством сжатого воздуха.
Основными компонентами клапана 3 являются электромагнитный клапан, пневматический клапан и печатная плата. Клапан, осуществляющий непрерывное регулирование давления, снабжен встроенным редукционным клапаном, который обеспечивает зависимость выпускного давления от интенсивности торможения. В обычных условиях движения питание на клапан 3 не подается.
Для регулирования давления воздуха дизельных двигателей находит применение нагнетатель с изменяемой геометрией турбины, позволяющий ограничивать поток отработавших газов через турбину при высокой частоте вращения коленчатого вала двигателя (рис. 7.4).
Подвижные направляющие лопатки 2 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 (рис. 9.4, а). 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 (рис. 9.4, б). 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 3 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 7 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.
Изменение площади сечения (расстояния между направляющими элементами) может управляться непосредственно давлением воздуха создаваемым самой турбиной с помощью привода, а также с помощью вакуумного регулятора или шагового электромотора.
Для изменения площади сопла обычно производится поворот лопаток.
Направляющие лопатки могут поворачиваться электрическим сервомотором (рис. 7.5). Электрическое управление позволяет турбонагнетателю быстрее запускаться и более точно регулировать процесс.
Перед турбонагнетателем установлен датчик температуры отработавших газов. Блок управления двигателя использует сигнал датчика температуры отработавших газов, чтобы защитить турбонагнетатель от недопустимо высоких их температур.
Однако технологии, применяемая в автомобиле Scania заключается в том, что лопатки скользят в осевом направлении, а не поворачиваются (рис. 7.6). Перемещение лопаток осуществляется по сигналу ЭБУ с помощью исполнительного устройства, которое представляет собой шестерню приводимую во вращение электродвигателем. Шестерня входит в зацепление с рейкой, которая двигает направляющие 6 передвижной цилиндрической заслонки 3. При такой конструкции уменьшается число изнашиваемых компонентов, за счет этого возрастает долговечность и надежность турбокомпрессора.
В двигателях легковых автомобилей может применяться и комбинированная (турбокомпаундная) система с двойным нагнетанием с помощью турбокомпрессора и с помощью механического компрессора (нагнетателя) (рис. 7.7).
Нагнетатель — это машина с вращающимся ротором, работающим без внутреннего сжатия по принципу вытеснения. Он состоит из корпуса, в котором вращаются два вала (ротора) (рис. 7.8). Оба ротора приводятся механически, например, от коленчатого вала. Имеющие противоположное направление вращения роторы синхронно соединяются друг с другом при помощи зубчатого редуктора, расположенного снаружи корпуса. Таким образом производится синхронизация их вращения. При работе (вращении роторов) воздух между лопастями и наружной стенкой направляется со стороны впуска (сторона всасывания) в сторону выпуска (сторону нагнетания). Давление подаваемого воздуха создаётся за счёт подпора. Прежние модели нагнетателей были оснащены двухлопастными роторами. Современные нагнетатели, как правило, имеют трёхлопастные роторы со спиральными лопастями. Это помогает достичь более высокого и, что ещё более важно, постоянного давления наддува.
Общий вид нагнетателя показан на рис. 7.9. В корпусе привода нагнетателя установлен упругий элемент. В элементе расположена торсионная пружина, соединяющая приводную и ведомую втулки. Пружина передаёт момент с ременного шкива на зубчатый редуктор.
Ротор приводится через пару зубчатых шестерён. Это позволяет вращаться обоим роторам абсолютно синхронно и в противоположном направлении. Большое количество зубьев шестерни предотвращает передачу колебаний. Зубчатые шестерни напрессованы на валы роторов. Приводная втулка заполнена специальным маслом. Четырёхлопастные роторы скручены на 160°. Оба ротора вращаются на необслуживаемых подшипниках качения.
В зависимости от нагрузки и частоты вращения коленчатого вала, блок управления двигателя рассчитывает количество воздуха необходимое для данного конкретного режима работы двигателя. При этом блок управления определяет необходимость включения только турбонагнетателя или дополнительно должен быть подключен компрессор.
При малых нагрузках в безнаддувном режиме регулирующая заслонка 5 (рис. 7.7) полностью открыта и поступающий свежий воздух поступает к турбонагнетателю. Учитывая небольшую частоту вращения коленчатого вала двигателя турбины турбонагнетателя вращаются медленно и давление наддува небольшое. Механический компрессор на этом режиме не включается. Дроссельная заслонка 11 открывается на небольшую величину и во впускном коллекторе создается разрежение.
При достижении частоты вращения коленчатого вала 2 400 об/мин регулирующая заслонка 5 закрыта или слегка приоткрыта для регулировки давления наддува. В этом режиме механический компрессор 6 подключается через магнитную муфту и приводится в действие ременным приводом. Сжатый свежий воздух подается компрессором к турбонагнетателю 19. Здесь воздух сжимается дополнительно. Давление наддува компрессора замеряется датчиком давления 3 во впускном коллекторе и изменяется при необходимости блоком управления регулирующей заслонкой 5. Общее давление наддува замеряется датчиком давления наддува 12. Дроссельная заслонка 11 полностью открыта. Во впускном коллекторе создается давление до 2,5 кгс/см2.
В диапазоне частоты вращения коленчатого вала от 2400 до 3500 об /мин при постоянной скорости движения, давление наддува создается только турбонагнетателем. В случае быстрого ускорения частоты вращения коленчатого вала турбонагнетатель в обычных системах наддува без дополнительного компрессора срабатывает с большим опозданием и не может вовремя создать необходимое давление (турбояма). Во избежание этого в системе с двойным нагнетанием блок управления двигателя кратковременно подключает компрессор и изменяет положение регулирующей заслонки 5 в соответствии с требуемым давлением наддува, помогая турбонагнетателю в создании нужного давления наддува.
При частоте оборотов свыше 3500 об/мин турбонагнетатель может создавать необходимое давление наддува в любой точке нагрузки без помощи компрессора. Регулирующая заслонка полностью открыта 5, и свежий воздух поступает непосредственно к турбонагнетателю. Энергии отработанных газов при такой частоте вращения коленчатого вала будет достаточно, чтобы с помощью турбонагнетателя обеспечить нужное давление наддува. Дроссельная заслонка полностью открыта. Во впускном коллекторе создается давление до 2,0 кгс/см2. Давление наддува от турбонагнетателя замеряется с помощью датчика давления наддува 12 и регулируется клапаном ограничения давления наддува 14.
Система наддува с двойным нагнетанием применяется в двигателях Audi 3,0 л V6 TDI Biturbo, где применяются два турбонагнетателя: один низкого, другой высокого давления. В новых конструкциях автомобилей Audi SQ7 TDI два традиционных турбокомпрессора управляют подачей воздуха в цилиндры, а между впускными патрубками и интеркулером базируется третий нагнетатель, приводимый 7-киловаттным электромотором, который «питается» посредством 48-вольтовой бортовой сети.
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 (рис. 7.10). Система окон и полостей выполнена особым образом, что позволяет волны давления потока 5 отработавших газов преобразовывать в повышенное давление потока 1 свежего воздуха.
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.