Глава 7 Наддув двигателей с принудительным зажиганием

7.1. Историческая справка

Ещё Готлиб Даймлер в 1885 г. предложил и реализовал на своих двигателях с принудительным зажиганием идею наддува. В соответствии с его патентом DRP 34926 наддув осуществлялся с использованием принципа кривошипно – камерной продувки. При этом сжимаемый в картере воздух поступал в цилиндр двигателя через специальный клапан в головке поршня после завершения нормального всасывания. Наддув применялся им для компенсации низкого коэффициента наполнения цилиндра свежим зарядом при повышении частоты вращения вала (Даймлер стремился повысить частоту вращения от 150-160 об/мин, которая существовала тогда для стационарных газовых ДВС, до 500 – 800 об/мин, что было необходимо для применения ДВС на автомобиле). Предполагается, что увеличение мощности в этом случае было невелико, а сложности с размещением клапана в поршне значительны. В связи с этим, после создания двух десятков таких двигателей Даймлер прекратил заниматься наддувом и вернулся к нему лишь после первой мировой войны после успешного применения наддува в авиационных двигателях. Опыт механического наддува был перенесён на двигатели гоночных и спортивных автомобилей. В этот период для целей механического наддува широко применяется нагнетатель типа РУТ. При этом компрессор применялся лишь кратковременно на высоких скоростях движения автомобиля и при подъёмах, а для снижения опасности детонации – лишь при полных частотах вращения вала двигателя.

Первым авиационным двигателем с наддувом (механическим) считается двухтактный ротативный двигатель Мюррея – Вильята, в котором ещё в 1910 г. благодаря наддуву при подъёме на высоту до 5200 м над уровнем моря сохранялись условия наполнения, зарядки и продувки цилиндра, соответствовавшие условиям работы на уровне моря. Т. е. практически на любой высоте в указанных пределах сохранялась мощность двигателя, соответствовавшая нормальным условиям. Практическое применение механический наддув авиационных двигателей с принудительным зажиганием нашёл к концу первой мировой войны.

Газотурбинный наддув таких двигателей начал испытывать в 1917 г. Рато. Однако, технические сложности отодвинули практическое применение этого метода наддува до 1939 г, когда был испытан первый авиационный двухтактный двигатель с газотурбинным наддувом и принудительным зажиганием.

На сегодняшний день в отличие от авиационных двигателей с принудительным зажиганием, где высокого совершенства достигли как механический, так и газотурбинный наддувы, применение наддува в автомобильных двигателях ограничено. Развитие наддува у авиационных двигателей было обусловлено следующими факторами. 1 – понижающаяся с высотой плотность воздуха (а отсюда необходимость с помощью наддува компенсировать потерю мощности при отсутствии проблемы чрезмерного возрастания механических нагрузок на детали двигателя, т. к. наддув компенсировал потерю плотности заряда лишь до уровня нормальных условий); 2 – понижающаяся с ростом высоты температура воздуха (благодаря чему при наддуве не возникало проблем с термическими нагрузками и вероятностью детонационного сгорания); 3 – зависимость детонации от степени наддува и частоты вращения (с ростом давления наддува склонность к детонации растёт, но с ростом частоты вращения – падает, а авиационный двигатель при работе по винтовой характеристике требует увеличения степени наддува с ростом частоты вращения); 4 – возможность использования более дорогих высокооктановых топлив; 5 – возможность применения специальных сортов топлив при кратковременном форсаже мощности при взлёте.

Применение турбокомпрессоров для автомобильных двигателей с принудительным зажиганием стало возможным тогда, когда было освоено изготовление турбинных колес способом точного литья из материалов с высокой жаропрочностью. В США с 1961 г. началось оснащение малоразмерных автомобилей малолитражными двигателями с газотурбинным наддувом. На рис. 7.1 показано, что повышение мощности благодаря турбонаддуву достигло 50%, что максимальный крутящий момент достигается при частоте вращения вала, равной 65% от номинала, что коэффициент приспособляемости составлет 1,45,а при частоте ниже 40% от номинала у двигателя с наддувом превышение мощности над уровнем безнаддувного двигателя вообще отсутствует.

Рис. 7.1. Скоростные характеристики двигателя фирмы Шевроле.

Из – за формы внешней характеристики разгон двигателя от низких частот вращения протекает неэффективно, т. к. низки развиваемые на этих скоростных режимах крутящие моменты. Т. е. применение наддува для автомобильных двигателей с принудительным зажиганием имеет недостатки, связанные с ухудшением протекания характеристики крутящего момента, ухудшением характеристики разгона.

В семидесятых годах турбонаддув на двигателях с принудительным зажиганием стал широко применяться на легковых автомобилях Германии. Сначала на гоночных автомобилях (при рабочем объёме цилиндров, равном 2 л. двигатель развил мощность 206 кВт, а максимальный крутящий момент соответствовал среднему эффективному давлению 21 бар), заием на спортивных и серийных легковых автомобилях. Двигатель BMW 2002 TURBO предназначен для серийных легковых автомобилей (рис. 7.2.).

Рис. 7.2. Скоростная характеристика двигателя с наддувом типа BMW2002 Turbo.

У двигателя давление в коллекторе наддувочного воздуха поддерживается на уровне 0,55 бар сверх внешнего давления.

Развиваемая мощность составляет 125 кВт, а коэффициент приспособляемости – 1,32.

Двенадцатицилиндровый двигатель типа 917 фирмы “Порше АГ” оснащённый турбокомпрессором, может служить примером высокомощного двигателя с принудительным зажиганием для гоночных автомобилей (рис. 7.3). Двигатель имеет высокое среднее эффективное давление (24 бар), а избыточное давление наддува равно 1,2 бар. При рабочем объёме 5 л. двигатель развивает 735 кВт, а при объёме 5,4 л – 810 кВт.

Р ис. 7.3. Скоростная характеристика 12-ти цилиндрового двигателя Порше типа 914 (рабочий объём 5 л).

Следует отметить, что повышение интереса к применению турбонаддува на двигателях с принудительным зажиганием, устанавливаемых на легковых автомобилях, связано также с возможностью компенсировать потерю мощности, происходящую при реализации мероприятий, направленных на снижение токсичности выбросов автомобиля.