Подача воздуха в двигатель

Двигательная установка космического аппарата

Маршевый двигатель транспортной системы «Спейс шаттл» во время огневых испытаний в «Космическом центре имени Джона Стенниса»

Двигательная установка космического аппарата — Привод, система космического аппарата, обеспечивающая его ускорение. Преобразует различные виды энергии в механическую, при этом могут отличаться как источники энергии, так и сами способы преобразования. Каждый способ имеет свои преимущества и недостатки, их исследования и поиск новых вариантов продолжаются по сей день. Наиболее распространенный тип двигательной установки космического аппарата — химический ракетный двигатель, в котором газ с высокой скоростью истекает из сопла Лаваля.

Кроме этого, распространение получили реактивные установки без сжигания топлива, в том числе электроракетные двигатели и другие. Перспективными двигателями являются установки на основе солнечного паруса.

Назначение

После выведения космического аппарата в космос его положение в пространстве нуждается в корректировке. На начальном этапе это может быть связано с необходимостью переведения аппарата на заданную орбиту или траекторию, а также с обеспечением максимальной освещенности солнечных батарей, направленности антенн и систем наблюдения. В дальнейшем могут проводиться орбитальные манёвры, связанные как с использованием аппарата по назначению, так и вызванные технической необходимостью, например, в случае уклонения от других объектов. Низкоорбитальные системы, кроме того, подвержены торможению атмосферой, из-за чего поддержание их орбиты в течение долгого времени требует наличия у аппарата двигательной установки. После исчерпания возможностей манёвра период активной жизни аппарата считается завершённым.

Задачей двигательной установки межпланетных аппаратов может являться разгон до второй космической скорости (иногда для этого используется последняя ступень ракеты-носителя). Корректировка траектории обычно осуществляется серией коротких запусков двигателя, между которыми аппарат находится в свободном полете. Наиболее эффективным способом перемещения космического аппарата с одной круговой орбиты на другую является эллиптическая переходная орбита, касательная к обеим круговым. Для её формирования на начальном участке используется серия ускорений, а на конечном — серия торможений, остальное время аппарат перемещается по инерции. Иногда для торможения используются особые методы — например, за счёт аэродинамического сопротивления атмосферы планеты.

Рисунок солнечного паруса

Некоторые типы двигательных установок, например, электроракетные двигатели или солнечный парус, обеспечивают малое приращение скорости при длительном действии. В этом случае траектория межпланетного аппарата будет иной: постоянное ускорение в первой части пути и постоянное торможение во второй. Солнечный парус в качестве движителя был успешно испытан на японском аппарате «IKAROS».

Для межзвездных перелётов также требуются свои двигательные установки. В настоящее время таких устройств не существует, но ведётся обсуждение их возможных вариантов. Расстояние до ближайших к Солнцу звёзд чрезвычайно велико, и достижение цели за приемлемое время требует высокой скорости полёта. Разгон и торможение межзвёздного корабля является непростой задачей для конструкторов.

Эффективность

Основная задача двигательной установки — изменять скорость космического аппарата. Поскольку требуемая для этого энергия зависит от массы аппарата, конструкторы используют понятие импульса, равного произведению массы на скорость. Таким образом, двигательная установка изменяет импульс космического аппарата.

Для аппаратов, двигательная установка которых работает на участке выведения (как, например, у транспортной системы «Спейс шаттл»), выбранный способ ускорения должен обеспечить преодоление земного притяжения — придать аппарату первую космическую скорость, которая для Земли составляет около 7,9 км/с. При движении вокруг планеты воздействие двигательной установки приводит к изменению орбиты аппарата.

Достижение заданной скорости может быть обеспечено короткими периодами включения двигательной установки при больших ускорениях либо длительными периодами включения с малыми ускорениями. При этом второй метод малопригоден для выведения аппарата в космос, так как требует непомерных затрат энергии на преодоление планетарной гравитации. Однако тело, выводимое в космос, на начальном этапе траектории может, аналогично самолёту, использовать подъёмную силу крыла, пока не достигнет менее плотных слоёв атмосферы.

Для человека привычно воздействие гравитации, характеризуемой ускорением свободного падения примерно 9,8 м/с², или 1 g. Для пилотируемого аппарата идеальной двигательной установкой была бы система, обеспечивающая постоянное ускорение, равное этой величине, что устранило бы неприятные явления у экипажа: тошноту, ослабление мышц, вымывание кальция из костной ткани, потерю чувства вкуса. Однако обеспечить такое ускорение затруднительно: при выведении это привело бы к неэффективному расходу горючего, а в космосе не соответствовало бы основным задачам аппарата или приводило бы к слишком долгому времени полёта.

Закон сохранения импульса устанавливает, что при изменении импульса космического аппарата должен меняться импульс чего-то ещё, чтобы общий импульс системы был постоянным. Для двигательных установок, использующих энергию магнитных полей или давления света, этой проблемы не существует, но большинство космических аппаратов вынуждены иметь на борту запас рабочего тела, за счет отбрасывания которого может меняться импульс самого аппарата. Двигательные установки, работающие на этом принципе, называются реактивными.

Для ускорения рабочего тела нужна энергия, которую можно получить из различных источников. В твердотопливных, жидкостных и гибридных ракетных двигателях энергия выделяется при химической реакции компонентов, а рабочим телом является образовавшийся в результате газ, под высоким давлением истекающий из сопла. В ионном двигателе для разгона частиц рабочего тела используется электрическая энергия, получаемая от солнечных батарей, ядерной силовой установки или из других источников.

При оценке эффективности реактивных двигательных установок используют понятие удельного импульса, равного отношению создаваемого импульса к расходу рабочего тела. В системе СИ удельный импульс имеет размерность «метр в секунду», но на практике чаще используется размерность системы МКГСС — «секунда».

Более высокий удельный импульс соответствует более высокой скорости истечения рабочего тела, однако энергия, требуемая для ускорения рабочего тела, пропорциональна квадрату скорости, из-за чего с увеличением удельного импульса падает энергетическая эффективность двигательной установки. Это является недостатком двигателей большой мощности, в результате чего большинство двигателей с высоким удельным импульсом имеют малую тягу, как, например электроракетные двигатели.

Типы двигательных установок

Двигательные установки подразделяются на несколько типов в зависимости от физических принципов, лежащих в их основе.

Реактивные двигатели

Основная статья: Реактивный двигатель

Реактивная двигательная установка изменяет скорость космического аппарата за счет отбрасывания рабочего тела. При этом движение аппарата подчиняется закону сохранения импульса и следствиям из него.

Примерами реактивных двигателей могут служить ракетные двигатели, в том числе электрические, двигатели с использованием сжатого газа, а также экзотические варианты на основе электромагнитных ускорителей. На участке выведения космические аппараты могут использовать реактивные двигатели, работающие на атмосферном кислороде.

Химический ракетный двигатель

Основная статья: Ракетный двигательИспытания двигателя «Кестрел» компании «SpaceX»

Большинство ракетных двигателей является двигателями внутреннего сгорания. Рабочим телом в них является горячий газ, который образуется при реакции горючего с окислителем в камере сгорания.l. В некоторых случаях в качестве топлива используются один или более двух компонентов. Продукты химической реакции из камеры сгорания попадают в сопло Лаваля, обеспечивающее максимальное преобразование тепловой энергии в кинетическую. Скорость газа на выходе обычно десятикратно превышает скорость звука на уровне моря.

Химические ракетные двигатели являются самыми мощными среди всех видов двигателей космических аппаратов. Они используются в том числе при выводе аппаратов в космос.

Проект ионного ракетного двигателя предполагает разогрев плазмы или ионизированного газа внутри «магнитной бутылки» и выпуск его через «магнитное сопло». При этом плазма не контактирует с частями аппарата. Создание подобного двигателя представляет собой чрезвычайно сложную задачу, но его принципы уже используются в ядерной физике или проходят апробацию в лабораторных условиях.

Электрический ракетный двигатель

Основная статья: Электрический ракетный двигательИспытания ионного двигателя

Помимо ускорения рабочего тела за счёт газодинамических сил, возможно использование прямого воздействия на его частицы. Для этого используются электромагнитные силы, а в качестве рабочего тела выбирается, как правило, газ. За счет электрической энергии газ сначала ионизируется, а затем ускоряется электрическим полем и с высокой скоростью выбрасывается из двигателя.

Возможность создания такого двигателя в 1906 году впервые упомянул Роберт Годдард в своей записной книжке. В 1911 году подобную идею опубликовал Константин Циолковский.

Для электрических ракетных двигателей энергетическая эффективность обратно пропорциональна скорости истечения рабочего тела и создаваемой тяги. Из-за этого при современном развитии энергетики двигательные установки такого типа являются маломощными, но при этом расходуют очень малое количество рабочего тела.

При полётах на относительно близких расстояниях от Солнца энергию для электрических ракетных двигателей можно получать с помощью солнечных батарей. При полетах в дальний космос требуется использовать другой источник энергии — например, ядерный реактор.

Возможности энергетической установки являются основным сдерживающим фактором при использовании электрических ракетных двигателей, так как вместе с количеством вырабатываемой энергии растет и масса самой установки, что повышает массу космического аппарата и требуемую тягу для его ускорения.

Существующие ядерные силовые установки примерно в два раза легче солнечных батарей той же мощности при работе в окрестностях земной орбиты. Химические генераторы не используются из-за более короткого времени работы. Одним из перспективных вариантов электропитания космического аппарата является передача энергии в виде луча, но потери на рассеивание делают такой способ неподходящим для дальних перелетов.

К электрическим ракетным двигателям относятся:

• Ионный двигатель (ускорение ионов с последующей нейтрализацией потоком электронов)
  • Электростатический ионный двигатель
  • Электростатический ракетный двигатель
  • Двигатель на эффекте Холла
  • Коллоидный двигатель
• Электротермический двигатель (разогрев рабочего тела электромагнитным полем до состояния плазмы и выпуск через сопло)
  • Электротермический двигатель на постоянном токе
  • Микроволновой электротермический двигатель
  • Пульсирующий плазменный двигатель
  • Геликоидальный двигатель с двойным слоем плазмы
• Электромагнитный двигатель (ускорение ионов силой Лоренца или электромагнитным полем, в котором электрическое поле не совпадает с направлением ускорения)
  • Магнитоплазмодинамический двигатель
  • Безэлектродный плазменный двигатель
  • Пульсирующий индуктивный двигатель
  • Электромагнитный ракетный ускоритель

В электротермических и электромагнитных двигателях ионы и электроны ускоряются одновременно, что устраняет необходимость нейтрализации потока.

Двигатели без рабочего тела

По данным NASA, размер космического паруса должен быть порядка полукилометра

Закон сохранения импульса устанавливает, что без отбрасывания рабочего тела изменить положение центра масс космического аппарата невозможно. Однако в космосе действуют гравитационные силы, магнитные поля и солнечная радиация. Несколько двигательных установок основаны на их использовании, но из-за распределённости этих сил в пространстве установки имеют большой размер.

Существует несколько двигателей, не требующих рабочего тела или требующих крайне малое его количество. К ним относятся тросовые системы, солнечные паруса, использующие давление света, и магнитные паруса, отражающие солнечный ветер с помощью магнитного поля.

Космический аппарат подчиняется закону сохранения момента импульса, поэтому вместо вращения вокруг центра масс в качестве двигательной установки может быть использована часть этого аппарата, поворачиваемая в противоположную сторону. При этом не требуется расхода рабочего тела, однако на аппарат влияют внешние силы, например, гравитационные или аэродинамические, из-за чего периодически требуется «разгрузка» основной двигательной установки другим способом, например, за счет реактивных двигателей. Реализацией данного принципа являются силовые гироскопы (гиродины).

Ещё одним способом использования гравитационного поля планеты является инерционный двигатель. Он основан на изменении момента инерции аппарата на различных участках орбиты, однако для получения ощутимого эффекта размеры системы должны быть достаточно большими.

Также для изменения траектории космического аппарата используется гравитационный манёвр. В этом случае для разгона или торможения используется гравитация небесных тел. При использовании ракетного двигателя эффективность гравитационного манёвра можно повысить.

Гипотетические двигатели

Полет через червоточину в представлении художника

Существует несколько гипотетических вариантов двигательных установок космических аппаратов, основанных на новых физических принципах и, возможно, не реализуемых на практике. К настоящему моменту особый интерес вызывают следующие:

• EmDrive — пытается обойти закон сохранения импульса
• Квантовый двигатель Леонова
• Гравитационный двигатель
• Гиперпространственный двигатель
• Кротовая нора
• Дифференциальный парус
• Инерцоиды — противоречат закону сохранения импульса

Сравнение двигательных установок

Ниже приведена сравнительная таблица различных типов двигательных установок, включающая как проверенные, так и гипотетические варианты.

В первой колонке указан удельный импульс (равный скорости истечения рабочего тела), или эквивалентная ему величина для нереактивных двигателей, во второй колонке — тяга двигателя, в третьей — время работы двигателя, в четвёртой — максимальное приращение скорости (для одноступенчатой системы), при этом:

• если приращение скорости много больше удельного импульса, требуется огромное количество топлива;
• если приращение скорости много меньше удельного импульса, требуется пропорционально большее количество энергии, а при её отсутствии — времени.

В пятой колонке указан уровень готовности технологии:

• 1 — известны только основные физические принципы;
• 2 — сформулирована теория;
• 3 — теория подтверждена экспериментально;
• 4 — компоненты испытаны в лаборатории;
• 5 — компоненты испытаны в вакууме;
• 6 — проведены наземные испытания / компоненты испытаны в космосе;
• 7 — проведены испытания в космосе;
• 8 — допущено к лётным испытаниям;
• 9 — проведены лётные испытания.

Двигательные установки

Тип	Эквивалентный удельный импульс (км/с)	Тяга (Н)	Время работы	Макс. приращение скорости (км/с)	Уровень готовности
Твердотопливный ракетный двигатель	1 — 4	103 — 107	минуты	~ 7	9
Гибридный ракетный двигатель	1,5 — 4,2	<0,1 — 107	минуты	> 3	9
Однокомпонентный ракетный двигатель	1 — 3	0,1 — 100	миллисекунды/минуты	~ 3	9
Жидкостный ракетный двигатель	1,0 — 4,7	0,1 — 107	минуты	~ 9	9
Ионный двигатель	15 — 210	10−3 — 10	месяцы/годы	> 100	9
Двигатель на эффекте Холла	8 — 50	10−3 — 10	месяцы/годы	> 100	9
Резисторный ракетный двигатель	2 — 6	10−2 — 10	минуты	?	8
Электрический ракетный двигатель термический	4 — 16	10−2 — 10	минуты	?	8
Электростатический ракетный двигатель	100 — 130	10−6 — 10−3	месяцы/годы	?	8
Пульсирующий плазменный двигатель	~ 20	~ 0.1	~2 000-10 000 ч	?	7
Двухрежимный ракетный двигатель	1 — 4,7	0.1 — 107	миллисекунды/минуты	~ 3 — 9	7
Солнечный парус	300 000 (давление света) 145 — 750 (солнечный ветер)	9 на 1 а. е. 230 на 0,2 а. е. 10−10 на 4 св. годах (для паруса площадью 1 км²)	неограниченно	> 40	9, 6, 5
Трехкомпонентный ракетный двигатель	2,5 — 5,3	0,1 — 107	минуты	~ 9	6
Магнитоплазмодинамический двигатель	20 — 100	100	недели	?	6
Ядерный ракетный двигатель	9	107	минуты	> ~ 20	6
Электромагнитный ускоритель	0 — ~30	104 — 108	месяцы	?	6
Тросовая система	—	1 — 1012	минуты	~ 7	7
Прямоточный воздушно-реактивный двигатель	5 — 6	0.1 — 107	секунды/минуты	> 7?	6
Двигатель с ожижением атмосферного воздуха	4,5	103 — 107	секунды/минуты	?	6
Пульсирующий индуктивный двигатель	10 — 80	20	месяцы	?	5
Электромагнитный ракетный ускоритель	10 — 300	40 — 1,200	дни/месяцы	> 100	5
Плазменный двигатель	10 — 130	0.1 — 1	дни/месяцы	> 100	5
Солнечный ракетный двигатель	7 — 12	1 — 100	недели	> ~ 20	4
Радиоизотопный ракетный двигатель	7 — 8	1.3 — 1.5	месяцы	?	4
Ядерный электрический ракетный двигатель	переменная	переменная	переменная	?	4
Проект «Орион» (ядерный «взрыволёт»)	20 — 100	109 — 1012	несколько дней	~ 30 — 60	3
Космический лифт	—	—	неограниченно	> 12	3
Ракетный двигатель SABRE	30/4,5	0.1 — 107	minutes	9,4	3
Магнитный парус	145 — 750	70/40 тонн	неограниченно	?	3
Мини-магнитосферный плазменный двигатель	200	~1 Н/кВт	месяцы	?	3
Лучевой (лазерный) двигатель	переменная	переменная	переменная	?	3
Пусковая петля/космический мост	—	~104	минуты	≫ 11 — 30	2
Проект «Дедал»	20 — 1000	109 — 1012	годы	~ 15 000	2
Газофазный ядерный реактивный двигатель	10 — 20	103 — 106	?	?	2
Ядерный ракетный двигатель на гомогенном растворе солей ядерного топлива	100	103 — 107	полчаса	?	2
Парус на частицах ядерного распада	?	?	?	?	2
Ракетный двигатель на частицах ядерного распада	15 000	?	?	?	2
Фотонный двигатель	300 000	10−5 — 1	годы/десятилетия	?	2
Термоядерный ракетный двигатель	100 — 1000	?	?	?	2
Каталитический ядерный импульсный ракетный двигатель на антиматерии	200 — 4000	?	дни/недели	?	2
Межзвёздный прямоточный двигатель Бассарда	2.2 — 20 000	?	неограниченно	~30 000	2
Варп-двигатель	> 300 000	?	?	неограниченно	1
Тип	Эквивалентный удельный импульс (км/с)	Тяга (Н)	Время работы	Максимальное приращение скорости (км/с)	Уровень готовности

Примечания

1. Olsen, Carrie Hohmann Transfer & Plane Changes. NASA (21 сентября 1995). Дата обращения 30 июля 2007. Архивировано 15 июля 2007 года.
2. Hess, M.; Martin, K. K.; Rachul, L. J.. Thrusters Precisely Guide EO-1 Satellite in Space First, NASA (7 февраля 2002). Архивировано 6 декабря 2007 года. Дата обращения 30 июля 2007.
3. Phillips, Tony Solar S’Mores. NASA (30 мая 2000). Дата обращения 30 июля 2007. Архивировано 4 июля 2012 года.
4. Doody, Dave. Chapter 4. Interplanetary Trajectories, Basics of Space Flight, NASA JPL (7 февраля 2002). Архивировано 17 июля 2007 года. Дата обращения 30 июля 2007.
5. Hoffman, S. (August 20–22, 1984). «A comparison of aerobraking and aerocapture vehicles for interplanetary missions». AIAA and AAS, Astrodynamics Conference: 25 p., Seattle, Washington: American Institute of Aeronautics and Astronautics. Проверено 2007-07-31. Архивная копия от 27 сентября 2007 на Wayback Machine
6. Anonymous. Basic Facts on Cosmos 1 and Solar Sailing (недоступная ссылка). The Planetary Society (2007). Дата обращения 26 июля 2007. Архивировано 8 февраля 2006 года.
7. Japan Aerospace Exploration Agency (9 July 2010). About the confirmation of photon acceleration of «IKAROS», the small solar-sail demonstrating craft (на японском языке). Пресс-релиз. Проверено 2010-07-10.
8. Rahls, Chuck Interstellar Spaceflight: Is It Possible?. Physorg.com (7 декабря 2005). Дата обращения 31 июля 2007. Архивировано 4 июля 2012 года.
9. Zobel, Edward A. Summary of Introductory Momentum Equations. Zona Land (2006). Дата обращения 2 августа 2007. Архивировано 4 июля 2012 года.
10. 1 2 Benson, Tom Guided Tours: Beginner’s Guide to Rockets. NASA. Дата обращения 2 августа 2007. Архивировано 4 июля 2012 года.
11. Choueiri, Edgar Y. A Critical History of Electric Propulsion: The First 50 Years (1906–1956) (англ.) // Journal of Propulsion and Power : journal. — 2004. — Vol. 20, no. 2. — P. 193—203. — DOI:10.2514/1.9245.
12. Drachlis, Dave. NASA calls on industry, academia for in-space propulsion innovations, NASA (24 октября 2002). Архивировано 6 декабря 2007 года. Дата обращения 26 июля 2007.
13. King-Hele, Desmond. Satellite orbits in an atmosphere: Theory and application. — Springer, 1987. — ISBN 978-0-216-92252-5.
14. Tsiotras, P. (англ.)русск.; Shen, H.; Hall, C. D. Satellite attitude control and power tracking with energy/momentum wheels (англ.) // Journal of Guidance, Control, and Dynamics (англ.)русск. : journal. — 2001. — Vol. 43, no. 1. — P. 23—34. — ISSN 0731-5090. — DOI:10.2514/2.4705.
15. John J. Dykla1, Robert Cacioppo2 и Asim Gangopadhyaya1. Gravitational slingshot (англ.) // American Journal of Physics. — 2004. — Vol. 72, iss. 5. — P. 619. — DOI:10.1119/1.1621032.
16. ESA Portal — ESA and ANU make space propulsion breakthrough
17. Hall effect thrusters have been used on Soviet/Russian satellites for decades.
18. A Xenon Resistojet Propulsion System for Microsatellites (недоступная ссылка) (Surrey Space Centre, University of Surrey, Guildford, Surrey)
19. 1 2 3 4 Alta — Space Propulsion, Systems and Services — Field Emission Electric Propulsion Архивировано 7 июля 2011 года.
20. RD-701 Архивировано 10 февраля 2010 года.
21. Google Translate
22. 1 2 3 RD-0410 Архивировано 8 апреля 2009 года.
23. Young Engineers’ Satellite 2
24. Gnom Архивировано 2 января 2010 года.
25. NASA GTX Архивировано 22 ноября 2008 года.
26. 1 2 3 The PIT MkV pulsed inductive thruster
27. Pratt & Whitney Rocketdyne Wins $2.2 Million Contract Option for Solar Thermal Propulsion Rocket Engine Архивная копия от 28 апреля 2019 на Wayback Machine (Press release, June 25, 2008, Pratt & Whitney Rocketdyne)
28. Operation Plumbbob (July 2003). Дата обращения 31 июля 2006. Архивировано 4 июля 2012 года.
29. Brownlee, Robert R. Learning to Contain Underground Nuclear Explosions (June 2002). Дата обращения 31 июля 2006. Архивировано 4 июля 2012 года.
30. アーカイブされたコピー. Дата обращения 27 февраля 2009. Архивировано 27 февраля 2009 года.
31. MagBeam

Ссылки

Какие бывают двигатели у космических аппаратов и в чем их сильные и слабые стороны

8:23 16/12/2017 2 👁 3 511

Двигатель — едва ли не самое важное в космическом аппарате. Без возможности активно маневрировать, набирать скорость и тормозить нельзя выбраться дальше околоземной орбиты, да и на орбите приходится бороться с различными уводящими аппарат в сторону эффектами. За прошедшие с момента запуска первого спутника почти шестьдесят лет технологии заметно шагнули вперед, и одними ракетами все давно не ограничивается.

Ракетный двигатель

Принцип работы ракетного двигателя известен нам как минимум с 30-х годов прошлого века, а как максимум — со времен Древнего Китая. Конечно, бамбуковые ракеты, движимые энергией горения черного пороха, для космоса непригодны, но вот уже двигатели американца Роберта Годдарда (1926 год), россиянина Фридриха Цандера (СССР, рубеж 1920-х и 1930-х годов) или немца Германа Оберта (1930 год) работали на паре «жидкое топливо + окислитель» и уже имели узлы, без которых не обходится любой современный ракетный двигатель.

Ракетный двигатель создает тягу при сжигании топлива: в соответствии с законом сохранения импульса движимый им аппарат приобретает импульс, равный импульсу выходящих в сопло продуктов сгорания. Отсюда можно определить рецепт увеличения тяги: сжигать больше топлива или добиться более высокой скорости реактивной.

Установленный в двигателе турбонасосный агрегат раскручивает лопасти насосов при помощи жаростойкой газовой турбины, а насосы закачивают топливо и окислитель в камеру сгорания. Большой поток топлива и окислителя приводит к интенсивному сгоранию и выбросу мощной струи раскаленных газов. Теоретически при сжигании керосина в кислороде можно получить температуру до 3500 °С и добиться истечения струи со скоростью около трех километров в секунду — практические результаты сейчас близки к теории. Пары водород-кислород или гидразин — тетраоксид азота, два других часто используемых сочетания, дают сопоставимые значения, и это объясняет как достоинства, так и недостатки традиционных ракет.

Ракетный двигатель RS-68, работающий на паре водород-кислород во время испытаний. Обратите внимание на сложную конструкцию над соплом. Стоимость больших ракетных двигателей доходит до $ 10 млн

Достоинством этого двигателя является его мощность, достигаемая сжиганием огромного объема топлива, ограниченная только размерами камеры сгорания. На американском «Сатурне-V» стояли двигатели F1, которые сжигали в единственной камере свыше полутора тонн кислорода и почти тонну керосина ежесекундно. Такое потребление давало тягу более 700 тонна-сил, а пять F1 с успехом доставляли ракету к Луне. Созданные позже советские РД-170 уступали по объему камеры сгорания, но зато камер было сразу четыре — их планировали использовать на сверхтяжелой ракете «Энергия» (носитель «Бурана»), которая могла бы вывести в космос до ста тонн полезной нагрузки.

По сей день начальный этап любого космического полета, хоть на геостационарную орбиту, хоть к Плутону, совершается при помощи ракетных двигателей: ни один другой даже близко не приближается к требуемым для развития космической скорости. Но где достоинства, там и недостатки

Небольшой ракетный двигатель — советский КДУ-414. Его длина составляет всего 70 сантиметров и он дает тягу около 200 килограммов; использовался с середины 1960-х годов для коррекции орбиты космических аппаратов

Экстремальные условия в камере сгорания приводят к тому, что даже многочисленные инженерные хитрости вроде охлаждения стенок подаваемым топливом или отсекания от них основной горячей струи более «холодной» струей от турбонасоса не позволяют добиться сколько-нибудь продолжительной работы в сочетании с высокой надежностью. А внедрение в сплавы жаростойких добавок вплоть до металлов платиновой группы все равно не гарантирует успеха запуска ракеты: доля аварий у всех основных производителей в мире колеблется в районе нескольких процентов. Представьте, какова была бы авиация, если бы даже каждый сотый рейс заканчивался взрывом или падением самолета!

Изготовленные уже не для старта с Земли, а для полета в безвоздушном пространстве ракетные двигатели имеют не столь экстремальные параметры, но все равно регулярно подводят. Российские разгонные блоки ДМ и «Фрегат», например, имеют долю отказов в районе от одного до трех процентов. Последняя авария произошла в 2014 году, когда «Фрегат» вывел на нецелевую орбиту два спутника европейской навигационной системы Galileo. Хотя нельзя сказать, что российские блоки как-то особо ненадежны: американский Centaur отказывал больше десятка раз на двести с лишним запусков.

Статистическая оговорка: как можно заметить, многие числа нами указываются приблизительно. Это обусловлено тем, что говорить о точных значениях зачастую нельзя. Скажем, разгонные блоки многих семейств производятся с 1960-х годов с целым рядом модификаций, и обобщать статистику запусков за все время затруднительно. Тяга двигателя немного зависит от атмосферного давления, а температура сгорания топлива — от его состава и режима работы двигателя.

Ракетные двигатели крайне неэкономичны. Их КПД уступает паровозному: мы вынуждены тратить гигантские запасы горючего с окислителем для достижения цели. Хуже того, наши затраты нелинейно растут с увеличением дельта-V, той скорости, которую должен приобрести наш космический аппарат для достижения цели. Чтобы попасть к Луне и вернуться, потребовался уже упоминавшийся «Сатурн-V»; полет же к звездам или хотя бы к Облаку Оорта за разумное время потребует ракет, габариты которых выходят как за пределы возможностей современных технологий, так и за рамки здравого смысла.

Ионы и плазма

Если снова обратиться к закону сохранения импульса, то становится ясно: чем быстрее покидает двигатель струя вещества, тем он эффективнее. Получить скорость струи свыше нескольких километров в секунду сжиганием чего-либо невозможно, однако двигатели, работающие на частицах со скоростью в десятки км/с, уже существуют. Они — ионные.

Суть ионного двигателя заключается в том, что сначала газ превращается в плазму, смесь положительно заряженных ионов с электронами. Далее заряженные частицы разгоняются электромагнитным полем и выбрасываются наружу — таким образом удается разом обойтись без экстремальных условий внутри двигателя и превзойти скорость истечения продуктов даже самых «жестких» химических реакций вроде сжигания лития в атмосфере фтора.

Правда, назвать ионные двигатели идеальными тоже нельзя. При более-менее достижимой на сегодня электрической мощности — а это, как правило, не более киловатта — их тяга не превышает считанных граммов. Двестикиловаттный VASIMIR, который одно время планировали поставить на МКС, выдавал на испытаниях в вакуумной камере около пяти ньютонов тяги — этого было бы достаточно для отрывания от Земли груза в полкилограмма. Даже в предположении, что ионному двигателю не мешает работать атмосфера, поднять с космодрома хотя бы свой собственный вес такое устройство не сможет.

Испытания одного из первых плазменных двигателей состоялись уже в 1961 году. Ионные двигатели впервые полетели в космос в 1964-м, а сегодня ионные и плазменные установки ставятся на многие спутники для удержания на заданной орбите.

Но в дальнем космосе этого и не требуется. Там важна экономичность и надежность — то, чем как раз отличаются ионные двигатели. Многие из них способны буквально годами работать бесперебойно, а в пересчете на килограмм потраченного рабочего тела (говорить «топливо» уже не очень корректно, ведь ничего не сжигается) они дают намного больший результат. Аппараты на ионных двигателях поначалу отстают от взявших быстрый старт ракетных аналогов, но ракетного топлива хватает от силы на несколько часов, а ионный «мотор» растягивает запас инертного газа в баке на годы. Медленно, буквально по миллиметру в секунду, прибавляя скорость, «черепаха» на ионной тяге сначала догоняет, а потом и перегоняет ракетного «зайца» с опустевшими баками.

Аппарат «Рассвет», летавший к Весте и Церере, японская миссия «Хаябуса» по доставке на Землю образца астероидного грунта, российские двигатели для геостационарных спутников — все это далеко не полный перечень ионных и плазменных установок в космосе. Плазменные представляют собой вариант ионных: в них ионизированный газ ускоряется не при помощи электродов, а выходит наружу с большой скоростью после разогрева тем или иным способом.

Существуют проекты мощных ионных или плазменных двигателей с электропитанием от большого массива солнечных батарей или ядерного реактора. Возможно, уже в ближайшие десятки лет мы получим установки, способные в разы сократить сроки перелетов между планетами. Разработка двигательной установки с ядерным реактором ведется в России силами предприятий Росатома и, по сообщениям осени 2016 года, может быть готова к испытаниям уже к концу 2018 года. Подобным же проектом занимаются и в Китае.

А еще есть проекты плазменных двигателей, которые будут использовать в качестве рабочего тела водяной пар. Воду можно получать, используя астероиды или лунный грунт. Это разом решит проблему и дозаправки вдали от Земли, и дороговизны выведения на орбиту. Упомянутые выше ограничения ракетных двигателей ведут к тому, что сегодня килограмм груза даже на самой низкой орбите стоит тысячи долларов, а доставка на геостационарную орбиту сопоставима по цене с изготовлением такого же по массе спутника из чистого золота!

Паруса

Идеальный двигатель должен по возможности весить как можно меньше, иметь нулевой расход топлива и полное отсутствие частей, которые могут сломаться во время работы. И подобные устройства существуют. Речь о парусах, призванных либо поймать поток заряженных частиц от Солнца, либо потянуть космический аппарат вперед под давлением света. В первом случае парус предполагается делать из тонких проволочек, создающих вокруг себя электрическое поле, а во втором случае сгодится любой легкий и блестящий материал вроде металлизированного пластика.

Солнечный парус в испытательной камере на Земле.

Примечательно, что концепция солнечного паруса если не опередила появление жидкостного ракетного двигателя, то возникла примерно тогда же. В 1900 году Петр Лебедев впервые исследовал эффект давления солнечного света, а в 1920-х идея использовать это явление для движения космических аппаратов была озвучена Фридрихом Цандером. Тем самым, который разработал советский жидкостный ракетный двигатель.

На практике «солнечным парусником» стал японский аппарат IKAROS в 2010 году, за ним последовал собранный американским «Планетарным сообществом» зонд Light Sail-1. Два других экспериментальных спутника, Cosmos-1 и NanoSail-D, пытались запустить в 2005 и 2008 годах, но оба раза подвели ракеты — один раз российская «Волна», а во второй — уже Falcon 1 Илона Маска.

Кроме того, эффект давления света использовал вполне обычный межпланетный зонд MESSENGER, летевший к Меркурию. Для корректировки его курса инженеры предпочли использовать отражение солнечных лучей от блестящей поверхности солнечных батарей аппарата. Тяга в итоге получалась очень маленькой, но зато ей можно было очень точно управлять, для маневрирования не требовалось топлива и сберегался ресурс ракетных двигателей.

Отдельно стоит упомянуть и т.н. электрический парус: его толкает вперед взаимодействие электрического поля тонких проволочек с летящими от Солнца заряженными частицами. И первенство в этой области принадлежит не одной из признанных космических держав, а Эстонии: собранный в Университете Тарту ESTCube-1 вышел на орбиту в 2013 году и проработал два года. Правда об успехе эстонцев надо упоминать «со звездочкой»: раскрыть электрический парус им не удалось. Но сейчас эстонские инженеры работают над следующим аппаратом, ESTCube-2. Может, все-таки успеют стать по-настоящему первыми.

Электрические паруса менее эффективны в сравнении с солнечными, однако они требуют куда меньше материала (тонкие проволоки вместо сплошной пленки). Легкие и компактные, они подходят для долговременных миссий — например, есть проект «электрического парусника» к Урану. Он сможет достичь этого ледяного гиганта всего за шесть лет. Для сравнения: «Вояджер-2» потратил девять лет, и при этом расположение планет было на редкость удачным.

Тюнинг системы подачи воздуха своими руками

В этой статье Вы узнаете как сделать тюнинг системы подачи воздуха или системы впуска своими руками. Все результаты начальный промежуточный и конечный были измерены на автомобиле Holden VL Turbo при разгоне от 0 до 100км/ч. Конечный результат уменьшение время разгона до 100 км/ч на 0.55 секунды. Затраты 30%, в России можно обойтись и 300 рублями.

Статья была написана иностранным другом по тюнингу, чем Мы ему и благодарны!

Начнём, автомобиль для тюнинга Holden VL Turbo 6-ти цилиндровый двигатель объёмом 3-и литра с турбиной. Цель данного тюнинга заключалось в увеличении мощности двигателя при минимальных затратах и путём доработки системы впуска двигателя. А так же возможность сделать тюнинг своими руками.

Для тюнинга воздухозаборника вполне достаточно купить фильтр нулевого сопротивления, но цель немножко другая и конечный результат должен быть более эффективным, чем от фильтра нулевого сопротивления. Для измерения давления был сделан очень простой, но функциональный манометр, схема которого изображена на рисунке. Датчик должен быть подключён последовательно в разные точки системы подачи воздуха в камеру сгорания для получения данных о точках снижения давления.

Рассмотрим простую схему….если давление в самом конце системы подачи воздуха больше, чем в начале, значит поток воздуха не может пройти спокойна какой то узел системы. В результате получается дефицит воздуха в камере сгорания, а ещё в школе нас учили, что чем больше воздуха, тем быстрее и объёмнее протекает процесс горения, а это, в нашем случае, увеличение мощности двигателя. Ещё одним не мало важным параметром является температура подаваемого воздуха в камеру сгорания. Чем больше температура тем воздух менее плотнее, а значит и содержит меньше кислорода и опять же по предыдущей схеме уменьшается мощность двигателя. В итоге нужно подать как можно прохладнее воздух, для увеличения количество кислорода в нём.

Стоковая система Holden VL Turbo

Воздух подаётся с начало в впускной патрубок, потом в коробку воздушного фильтра, далее через фильтр тщательной очистки проходит кислородный датчик и через гофру в турбо компрессор.

Тестируем

Теперь задача убрать все места которые мешают прямой подачи воздуха. Замеры собранным манометром показали вот такие данные:

1. Впускной патрубок: 3.5
2. Нижняя часть коробки воздушного фильтр: 4
3. Фильтр: 1
4. Верхняя часть коробки воздушного фильтр: 2
5. Датчик воздуха: 14.5
6. Гофра: 4.5
7. Непосредственно возле турбины: 29.5

Единица измерения- изменение столбика жидкости в сосуде.

А ещё была замерена температура воздуха с помощью цифрового температурного датчика. В нижней части коробки воздушного фильтр температура 30 градусов. Но спустя некоторое время она возросла до 50, что ни есть хорошо и это при температуре окружающей среды 15 градусов.

И так исходные данные:

Пиковое давление: 29.5
Пиковая температура: 50°C
Разгон 0-100 км/ч: 8.0 сек

Доработка

1. Удаление 2-го из 3-го фильтра грубой очистки( от камней, листьев и т.д.) Результат: снижение общего давления в системе на 32% вполне не плохо, не потратив не копейки. Если фильтр нулевого сопротивления в среднем даёт всего 3% снижения давления, а за него нужно отдать кругленькую сумму, да ещё обслуживать каждые 3000 км. Разгон от 0 до 100км/ч уменьшился до 7.7 секунд.

2. В результате повторного замера, задача в снижении сопротивления в верхней чати коробки воздушного фильтра пропала. 7 единиц давления мы имеем в низу коробки. Выход нашёлся один, в нижней части коробки воздушного фильтра было сделано отверстие диаметром 100мм. вставлен патрубок такого же диаметра, загнутый под 90 градусов и выведен в колёсную арку. В переднюю часть авто воздухозаборник не был выведен в связи с опасностью попадание инородных предметов, тем более две из трёх перегородок грубой очистки были сняты. А разместив в арке получаем неплохой приток воздуха на скорости и более-менее неплохую защиту от попадания грязи. Начало воздухозаборного патрубка был увеличен путём нагрева и растягивания конусным предметом. Результат: давление уменьшилось с начальных 4 до 1 единицы, а температура воздуха уменьшилась с 50°C до 20°C. Разгон от 0 до 100км/ч уменьшился до 7.6 секунд. Затраты 150 рублей за патрубок.

3. Замена гофрированного патрубка от датчика кислорода к турбине, потери 4.5 единиц. Как раз в гофре идёт сильные завихрения потока воздуха, в чём и проявляется увеличения сопротивления на 26%. Цена обычного патрубка, такого же диаметра 150 рублей. Результат: давление уменьшилось на 4 единицы. Разгон от 0 до 100км/ч уменьшился до 7.45 секунд. Затраты на новый патрубок так же 150 рублей.

Подведение итогов:

Бюджет 300 рублей

Уменьшение сопротивления на половину. Уменьшение температуры воздуха.

выигрышное время 0.55 секунды при разгоне от 0 до 100км/ч. Показание теста на стенде выросли на всех участках кривой одинаково, а значит прирост как на малых, так и на больших оборотах, при минимальных затратах.

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.

Другими словами, для эффективного сжигания заряда на определенное количество топлива необходимо подать в камеру сгорания часть воздуха. Независимо от того, является ли двигатель атмосферным, компрессорным или турбированным, воздух берется из атмосферы.

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.

Исключением можно считать мощные внедорожники и специально подготовленные для офф-роадинга автомобили, у которых воздухозаборник обычно выносится отдельно и выводится наружу. Как правило, в этом случае предполагается, что автомобиль будет преодолевать глубокие водные преграды, а вынос воздухозаборника позволяет избежать гидроудара в результате попадания воды в цилиндры двигателя.

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.

Что касается РХХ, данный регулятор устанавливается на корпусе дроссельного узла. Фактически указанный регулятор является шаговым двигателем, к которому присоединен конусный шток-клапан. Если просто, шток РХХ выдвигается или, наоборот, втягивается благодаря работе шагового электродвигателя. Управляющий сигнал на шаговый двигатель формирует ЭБУ.

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.

Как и в случае с бензиновыми ДВС, система питания дизельных моторов воздухом предполагает его забор из атмосферы, очистку поступающего воздуха и дальнейшую подачу в цилиндры. При этом воздух дополнительно проходит через турбину, охлаждается и уже затем поддается в камеру сгорания, причем нагнетается под давлением.

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.

В результате такого снижения температуры в камеру сгорания удается подать больше воздуха, что позволяет более полноценно и эффективно сжечь топливо, добиться прироста мощности, улучшенной экономичности и снизить токсичность выхлопа.

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.

Кстати, на современных дизельных ДВС дроссельная заслонка все же появилась, но она выполняет другие задачи. Если точнее, снижается токсичность выхлопа в соответствии с жесткими экологическими нормами.

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.

Если коротко, так называемая электротурбина на впуске позволяет добиться подачи охлажденного воздуха во впускной коллектор без каких-либо существенных доработок, что особенно актуально для атмомоторов. В результате в двигатель начинает поступать охлажденный, а не теплый воздух, увеличивается объем воздуха и т.д.

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.

Рекомендуем также прочитать статью о том, что такое турбокомпрессор. Из этой статьи вы узнаете о конструкции турбины, приципах работы турбонаддува, а также об особенностях данной системы, преимуществах и недостатках данного решения и т.д.

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.

Рекомендуем также прочитать статью о том, когда необходимо менять воздушный фильтр двигателя. Из этой статьи вы узнаете об основных правилах и рекомендациях касательно замены воздушного фильтра, через сколько километров менять воздушный фильтр мотора, а также в каких случаях и почему интервал замены фильтра воздуха в двигателе нужно сокращать.

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.

Также важно понимать, что разгерметизация системы подачи воздуха, трещины патрубков или корпуса воздушного фильтра, установка неподходящего по размеру фильтрующего элемента и т.д. приводят к подсосу воздуха, который при этом является неочищенным.

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.

Электронная система впрыска топлива — Энциклопедия японских машин

Посмотреть комментарии

Как работает система впрыска топлива с электронным управлением?

Система впрыска топлива с электронным управлением работает на некоторых основных принципах. Далее подробно описана работа системы впрыска топлива с электронным управлением (EFI) стандартного типа.

Система впрыска топлива с электронным управлением может быть подразделена на три основные подсистемы. Это: система подачи топлива, система всасывания воздуха и электронная система управления.

Система подачи топлива
— Система подачи топлива состоит из топливного бака, топливного насоса, топливного фильтра, подающего топливопровода (направляющей-распределителя для топлива), топливной форсунки, регулятора топливного давления и обратного топливопровода.
— Топливо подается из бака в форсунку с помощью электрического топливного насоса. Насос обычно расположен внутри или рядом с топливным баком. Загрязнения отфильтровываются высокомощным встроенным топливным фильтром.
— Постоянное давление топлива поддерживается при помощи регулятора топливного давления. Топливо, не направленное во всасывающий трубопровод через форсунку, возвращается в бак по обратному топливопроводу.

Система всасывания воздуха
— Система всасывания воздуха состоит из очистителя воздуха, дроссельного клапана, воздухозаборной камеры, всасывающего коллектора и впускного клапана.
— Когда дроссельный клапан открыт, воздух проходит через очиститель воздуха, через расходомер воздуха (в системах типа L), через дроссельный клапан и хорошо отрегулированный впускной патрубок во впускной клапан.
— Подача воздуха в двигатель – это функция, требующая привода. По мере открытия дроссельного клапана в цилиндры двигателя впускается больше воздуха.
— В двигателях марки «Тойота» используются два различных метода измерения объема впускаемого воздуха. В системе EFI типа L поток воздуха измеряется напрямую с помощью расходомера воздуха. В системе EFI типа D поток воздуха измеряется косвенно с помощью мониторинга давления во всасывающем коллекторе.

Электронная система управления
— Электронная система управления состоит из различных датчиков двигателя, электронного управляющего блока (ECU), устройства топливной форсунки и соответствующей проводки.
— Блок ECU определяет точное количество топлива, которое необходимо подать форсунке, с помощью мониторинга датчиков двигателя.
— Для подачи в двигатель воздуха/топлива в соответствующей пропорции блок ECU включает форсунки на точный период времени, который называется шириной импульса впрыска или продолжительностью впрыска.

Основной режим работы
— Воздух попадает в двигатель через систему всасывания воздуха, где он измеряется расходомером воздуха. Когда воздух попадает в цилиндр, топливо смешивается с воздухом с помощью топливной форсунки.
— Топливные форсунки расположены во всасывающем коллекторе за каждым впускным клапаном. Форсунки представляют собой электроклапаны, управляющийся блоком ECU.
— Блок ECU посылает импульсы на форсунку путем включения и выключения цепи заземления форсунки.
— Когда форсунка включена, она открывается, распыляя топливо на заднюю стенку впускного клапана.
— Когда топливо распыляется во всасываемый поток воздуха, оно смешивается с входящим воздухом и испаряется благодаря низкому давлению во всасывающем коллекторе. Электронный управляющий блок посылает сигналы на форсунку, чтобы обеспечить подачу топлива, достаточного для достижения идеальной пропорции воздух/топливо 14,7:1, которая часто называется стехиометрией.
— Подача точного количества топлива в двигатель – это функция электронного управляющего блока.
— Блок ECU определяет основной объем впрыска на основании измеренного объема воздуха и оборотов двигателя.
— Объем впрыска может изменяться в зависимости от условий эксплуатации двигателя. Блок ECU отслеживает такие переменные величины, как температура охлаждающей жидкости, скорость двигателя, угол дросселя и содержание кислорода в выхлопе и производит корректировку впрыска, которая определяет окончательный объем впрыска.

Преимущества системы EFI
Равномерное распределение воздухо-топливной смеси
Каждый цилиндр имеет собственную форсунку, которая подает топливо непосредственно на впускной клапан. Это позволяет избежать необходимость подавать топливо через всасывающий коллектор, что улучшает распределение между цилиндрами.

Высокоточный контроль пропорции воздуха и топлива при всех условиях эксплуатации двигателя
Система EFI постоянно подает в двигатель точную пропорцию воздуха и топлива вне зависимости от условий эксплуатации. Это обеспечивает лучшие дорожные качества автомобиля, экономию топлива и контроль выхлопных газов.

Превосходная реакция дросселя и мощность
За счет подачи топлива непосредственно на заднюю стенку впускного клапана устройство всасывающего коллектора можно оптимизировать, чтобы повысить скорость движения воздуха через впускной клапан. Это улучшает крутящий момент и работу дросселя.

Значительная экономия топлива и улучшенный контроль выхлопных газов
В двигателях с системой EFI обогащение при холодном запуске и широко открытом дросселе можно сократить, поскольку смешивание топлива не представляет проблемы. Это позволяет экономить топливо в целом и улучшить контроль выхлопных газов.

Улучшенные пусковые и эксплуатационные качества холодного двигателя
Улучшенное распыление в сочетании со впрыском топлива непосредственно на впускной клапан улучшает пусковые и эксплуатационные качества холодного двигателя.

Упрощенная механика, сниженная чувствительность к регулировке
Система EFI не зависит от регулировки обогащения топливной смеси при холодном запуске или измерения топлива. Поскольку система проста с механической точки зрения, требования к техническому обслуживанию снижены.

Система EFI/TCCS
С введением системы компьютерного управления (TCCS) система EFI превратилась из простой системы контроля топлива в полностью интегрированную систему управления двигателем и выхлопными газами. Хотя система подачи топлива работает также, как в обычной системе EFI, электронный регулирующий блок системы TCCS также контролирует угол искры зажигания. Кроме того, система TCCS также управляет устройством контроля числа оборотов холостого хода, рециркуляцией выхлопных газов, клапаном переключения вакуума и, в зависимости от применения, другими системами двигателя.

Управление искрой зажигания
Система EFI/TCCS регулирует угол опережения искры зажигания, отслеживая эксплуатационные условия двигателя, вычисляя оптимальную продолжительность зажигания и зажигая свечу в соответствующее время.

Контроль числа оборотов холостого хода
Система EFI/TCCS регулирует число оборотов холостого хода с помощью нескольких устройств разного типа, контролируемых электронным управляющим блоком (ECU). Блок ECU отслеживает эксплуатационные условия двигателя и определяет необходимое число оборотов холостого хода.

Рециркуляция выхлопных газов
Система EFI/TCCS регулирует периоды включения рециркуляции выхлопных газов (EGR) в двигателе. Контроль достигается за счет использования клапана переключения вакуума системы EGR.

Другие системы двигателя
Кроме основных описанных систем электронный регулирующий блок системы TCCS часто контролирует трансмиссию с электронным управлением (ECT), изменяемую всасывающую систему, сцепление компрессора кондиционера воздуха и турбонагнетатель.

Система самодиагностики
Система самодиагностики включена в блоки ECU всех систем TCCS и некоторых обычных систем EFI. Обычный двигатель c системой EFI, оснащенной функцией самодиагностики – это система Р7/EFI. Данная система диагностики использует предупредительную лампочку проверки двигателя в сочетании с измерительным устройством, которое предупреждает водителя об обнаружении неисправностей в системе управления двигателем. Лампочка проверки двигателя также высвечивает ряд кодов диагностики в помощь механику при выявлении и устранении неисправностей.

Краткий обзор
Система впрыска топлива с электронным управлением состоит из трех основных подсистем.
— Электронная система управления определяет основной объем впрыска по электросигналам расходомера воздуха и оборотам двигателя.
— Система подачи топлива поддерживает постоянное давление топлива на форсунке. Это позволяет блоку ECU контролировать продолжительность впрыска топлива и подавать топливо в объеме, соответствующем условиям эксплуатации двигателя.
— Система всасывания воздуха подает воздух в двигатель по требованию водителя. Воздушно-топливная смесь образуется во всасывающем коллекторе по мере продвижения воздуха по впускному каналу.

• Перепечатка разрешается только с разрешения автора и при условии размещения ссылки на источник

помогите!На холодную,движка 3S-FE,при движении, подтраивает, как будто заливает(а «чих» в воздухан).При нагреве все ОК.А на газе при любой температуре все отлично.
С.-диагност.говорит:не провильные показания темп. воздуха на впуске, проверил на Ц-шке-ОК.
что за…? 58 4 Ответить подскажите на 1G-FE очень большие обороты 6000т.при этом заслонка закрыта был удар в левую сторону до аварии было все ок. 29 2 Ответить помогите!!! на двигателе 3s-fe нет питания на третью форсунку!!!! 34 6 Ответить Омск подскажите номер форсунок на двигателе 1G EU, и подходят ли от других двигателей?
Спасибо. 19 3 Ответить помогите пожалуйста с регулеровкой холостого хода с электроным прыском двигателя 5А Toyota Corona (зубатка) 1990 года 22 6 Ответить Владивосток Сообщений: 1 нога: помогите!!! на двигателе 3s-fe нет питания на третью форсунку!!!! питание наверное есть нет минуса управляющего? 5 Ответить Konstantin Чита на двигателе 1G-FE ни как не реагирует датчик холостого хода, прозванивал, датчик в порядке,что делать подскажите,заранее спасибо. 3 1 Ответить Лапка Чита Искры нет на двигателе 5а ставим другой трамблер никакого эффекта. 2 1 Ответить Семипалатинск Подскажите пожалуйста на Камри 35 реле EFI все время стучит как часы, как будто там замыкание. Стучит даже при отключении двигателя. иногда пропадает звук стука. за ранее спаибо!!! 6 Ответить Оставить комментарий

Интеркулер

Интеркулер

Интеркулер — он же промежуточный ОНВ (охладитель наддувочного воздуха). Представляет собой теплообменник (воздухо-воздушный, водо-воздушный), чаще радиатор, для охлаждения наддувочного воздуха. В основном используется в двигателях с системой турбонаддува.

Устройство предназначено для извлечения тепла из воздушного потока, который нагревается при сжатии в компрессоре. Существует много критериев, которыми руководствуются при создании интеркулера. Основные среди них — это максимальный отвод тепла, минимальные потери давления наддува, увеличения инерции потока. Наличие интеркулера никак не влияет на ресурс двигателя.

Применение

При адиабатическом (без теплообмена с окружающей средой) сжатии воздуха в системе наддува его температура повышается.

(Твход нагнетателя)/(Твых нагнетателя) = (Рвход/Рвых)(n–1)/n.

В реальной ситуации при Т на входе нагнетателя 20 °C:

• Рвых./Рвхода = 1,5, следовательно, разность температур составляет 45 °C и после сжатия Твых = 65 °C;
• Рвых/Рвхода = 2, следовательно, разность температур составляет около 84 °C и после сжатия Твых = 104 °C.

Согласно расчётам, при начальной температуре 50 °C повышение температуры воздуха на 10 °C при постоянном давлении приводит к уменьшению его плотности на 3 %. Поэтому, если не охлаждать воздух после нагнетателя, эффект наддува может быть значительно ослаблен. Пример: при отношении Рвых/Рвхода = 1,5 плотность воздуха после сжатия (значит, и мощность) падает на 14 %; при отношении Рвых/Рвхода = 2 плотность воздуха падает на 25 %.

Поэтому в двигателе внутреннего сгорания воздух, который подаётся в цилиндры, разумно дополнительно охлаждать, повышая его плотность, что в свою очередь повышает эффективность наддува, улучшает процесс сгорания топлива в цилиндре, а также снижает детонационный порог.

Одним из видов тюнинга системы наддува ДВС является установка интеркулера с увеличенной площадью теплообмена.

Способы расположения

Радиатор интеркулера обычно крепится перпендикулярно продольной оси автомобиля (фронтальный интеркулер) перед радиатором либо под крылом, пример — Mitsubishi Lancer Evolution, VW Touareg. Другой способ крепления — горизонтально над двигателем (например, Subaru Impreza WRX). В таком случае в капоте автомобиля обычно имеется воздухозаборник для подвода потока воздуха к интеркулеру.

Интеркулер типа «вода-воздух»

Дизель тепловоза ТЭП60, вверху по бокам 2 турбокомпрессора, между ними — ОНВ

На тепловозах для обеспечения компактности воздушного тракта применяется интеркулер системы вода-воздух (причём там он называется охладитель наддувочного воздуха — ОНВ), в контуре которого циркулирует вода, охлаждаемая в отдельных радиаторах (так называемый второй контур, его вода зачастую охлаждает и масло в водо-масляном теплообменнике). На судах применяется водо-воздушный интеркулер, в котором циркулирует забортная или внутренняя пресная вода в зависимости от схемы завода-изготовителя.

Интеркулер системы вода-воздух применяется и в автоспорте, пример тому — Toyota Celica GT-Four (Alltrac). Также в автоспорте применяется орошение интеркулера водой при помощи специальных форсунок, и даже ёмкости со льдом для лучшего теплообмена при работе двигателя на экстремальном давлении наддува (например, в дрэг-рейсинге). Существуют схемы последовательного подключения интеркулеров систем вода-воздух и воздух-воздух. Система интеркулера вода-воздух имеет ряд преимуществ, такие как минимальная длина наддувочной магистрали, большой коэффициент теплообмена, энергоёмкость (жидкость в магистрали, которая ещё не успела забрать температуру у нагнетаемого воздуха, имеет температуру ниже), возможность поддержания стабильной температуры нагнетаемого воздуха (за счет компонентов которыми можно управлять электронно). Недостатками данной системы являются её стоимость и сложность в сравнении с интеркулером системы воздух-воздух. Такие известные тюнинг-ателье как Lotus использовали данную систему ввиду ряда её преимуществ.

Система имеет несколько способов реализации схемы подключения теплообменников, одна из которых является относительно герметичной и имеет собственный контур, вторая сообщается с системой охлаждения ДВС (что, скорее, является системой поддержания стабильной температуры наддувочного воздуха, чем системой его охлаждения, ориентированной на минимизацию температуры). На сегодняшний день такой системой охлаждения наддувочного воздуха с завода снабжены некоторые модели концерна VAG (Volkswagen Aktiengesellschaft).

Интеркулер типа «воздух-воздух»

Воздухо-воздушный радиатор в крыле Ту-154

Благодаря своей простоте и надёжности интеркулер типа «воздух-воздух» являются наиболее распространённым. Этот вид интеркулера состоит из патрубков интеркулера и пластинчатого радиатора интеркулера.

По-русски это устройство называется «воздухо-воздушный радиатор» (ВВР). ВВР также широко применяются в системах кондиционирования воздуха летательных аппаратов для охлаждения подаваемого в гермокабину воздуха, отобранного от компрессоров авиадвигателей, имеющего температуру более 200 °С.

1. Самолёт Ан-124-100. Руководство по технической эксплуатации, книга 15

• На Викискладе есть медиафайлы по теме Интеркулер
• How an intercooler works

• Интеркулер. Назначение и разновидности интеркулеров.

Виды систем охлаждения наддувочного воздуха

• Главная
• Избранное
• Популярное
• Новые добавления
• Случайная статья

Исследовательская часть

Согласно техническому заданию на дипломный проект требовалось разработать двигатель с хорошими динамическими качествами. Проведенные исследования показали, что для повышения энергетических показателей двигателя могут быть использованы следующие мероприятия: повышение качества процесса сгорания и наддув двигателя.

В качестве первого пути увеличения выходной мощности можно выделить воздействие на рабочий процесс, т.е. повышение эффективного КПД двигателя. С этой целью стремятся обеспечить максимально быстрое и полное сгорание в цилиндре двигателя, уменьшают механические потери.

Повысить КПД двигателя можно, например, увеличением степени сжатия, работа на высокой степени сжатия повышает вероятность возникновения таких явлений как детонация и калильное зажигание.

Повысить КПД можно обеспечением оптимального соотношения топлива и воздуха в цилиндре двигателя. Это достигается точным дозированием топлива, например, при помощи электронного управления топливоподачей и распределенного впрыска топлива.

Повысить КПД можно уменьшением длины юбки поршня, количества и высоты колец; уменьшением количества приводимых от коленчатого вала агрегатов (кондиционер, гидроусилитель); уменьшением потерь на трение в двигателе (использование высококачественных масел, антифрикционных покрытий, уменьшением поверхности трения, профилирование пар трения); обеспечением быстрого прогрева двигателя и поддержанием оптимальной температуры при работе.

Немаловажное влияние на энергетические показатели двигателя оказывает качество наполнения цилиндров двигателя свежей смесью. С этой целью в настоящее время получили распространение такие мероприятия как: 4-х клапанное газораспределение, распределенный впрыск бензина во впускной трубопровод, переменные фазы газораспределения, впускной трубопровод переменной длины (газодинамический наддув), турбонаддув и механический наддув, оптимизируется форма камеры сгорания и впускного тракта.

Наддув

Один из наиболее эффективных путей повышения мощности двигателя это наддув. В этом случае в противоположность атмосферному впуску у двигателей с наддувом воздух подается в цилиндры под избыточным давлением. Этим увеличивается масса воздуха в цилиндре, что при большей массе топлива приводит к повышению выходной мощности двигателя при равном рабочем объеме. Наддув позволяет уменьшить массу и габариты двигателя, приходящиеся на единицу мощности.

В данной дипломной работе было решено разработать бензиновый двигатель (литровая мощность выше, чем у дизеля, так как он может работать на богатых смесях) и оснастить его наддувом.

Наддув двигателя воздухом осуществляется при помощи так называемых нагнетателей и позволяет повысить среднее эффективное давление (и, таким образом, крутящий момент).

В основном различают две разновидности нагнетателей:

• турбонагнетатель, в котором требуемая на сжатие воздуха мощность отбирается от ОГ (газодинамическая связь двигатель/нагнетатель);

• механический нагнетатель, в котором требуемая на сжатие воздуха мощность отбирается от коленчатого вала двигателя (механическая связь двигатель/нагнетатель).

Однако при наддуве бензиновых двигателей надо учитывать ограничения, связанные с возможностью возникновения аномальных процессов сгорания.

Детонация — очень быстрое сгорание топлива в точках, удаленных от свечи, сопровождается резким местным перегревом и перегрузкой деталей двигателя. Внешний признак детонации — стук.

Калильное зажигание — преждевременное (до появления искры) воспламенение смеси от перегретых деталей камеры сгорания (например, от электрода свечи). Длительная работа с детонацией и калильным зажиганием недопустима: двигатель быстро выйдет из строя.

Турбонаддув

Наддув воздуха турбонагнетателем, который приводится в действие отработавшими газами, находит наиболее широкое применение среди всех известных способов. Этот вариант даже на двигателях малого рабочего объема позволяет получить крутящий момент и мощность достаточной величины при высоком КПД. Турбонагнетатели используют на легковых и грузовых автомобилях, больших судовых двигателях и тепловозах.

Принцип работы турбонагнетателя следующий. Горячие ОГ поступают на турбину и раскручивают вал 11 до высокой частоты вращения, которая у дизелей достигает 200000 мин-1. Направленные лопатками турбинного колеса ОГ двигаются к оси турбины, откуда затем выходят через канал 8 во выпускной тракт (радиальная турбина). Вал приводит во вращение радиальный компрессор. Здесь противоположная картина: поток 3 подаваемого воздуха входит по оси компрессора, ускоряется лопатками при движении наружу и при этом превращается в поток 4 сжатого воздуха.

Двигатели должны развивать высокий крутящий момент уже при низкой частоте вращения коленчатого вала, поэтому турбонагнетатель конструируется из расчета небольшой скорости потока ОГ (например, полная нагрузка при частоте вращения n <= 1800 мин-1). Для того, чтобы при больших скоростях потока ОГ нагнетатель не перегружал двигатель и сам не выходил из строя, давление наддува необходимо регулировать. Для этого используются два конструктивных варианта:

• нагнетатель с перепуском ОГ;

• нагнетатель с изменяемой геометрией турбины;

Наилучшие результаты получаются при наддуве бензиновых двигателей с электронным управлением, включающим электронное регулирование наддува. Последнее, в частности, дает возможность включить в систему управления датчик детонации для снижения давления наддува или (и) уменьшения угла опережения зажигания при возникновении в двигателе детонации. Благодаря этому двигатель при наддуве может работать практически на пределе детонации. При отсутствии в системе управления такого датчика режим работы двигателя должен быть гарантированно отодвинут от границы детонации, а это требует снижения степени сжатия двигателя или использования бензина с более высоким октановым числом.

Использование трбонаддува получило наиболее широкое распространение, однако он имеет и определенные недостатки. Например, противодавление, которое создается вследствие появления напорных потоков от турбины, нагружает поршни двигателя, что означает термодинамические потери: поэтому поршень должен совершать повышенную толкательную работу, что приводит к увеличению нагрузок на кривошипный механизм

Один из недостатков турбонаддува это его недостаточная эффективность на низких частотах вращения коленчатого вала, вследствие малого расхода отработавших газов через турбинное колесо. Это вынуждает использовать турбокомпрессор с регулируемым сопловым аппаратом, возрастает его стоимость.

Механический наддув

При механическом наддуве нагнетатель приводится в действие непосредственно от коленчатого вала двигателя. Как правило, оба агрегата жестко связаны друг с другом, например через ременный привод.

Механические нагнетатели можно разделить на три группы:

а. Роторно-поршнввые нагнетатели

К ним относятся нагнетатели типа «Рут» и Ванкеля в форме лопастных компрессоров и их модификаций. Винтовой компрессор, можно также отнести к этой группе. Ее важнейшими представителями являются нагнетатели Лисхольм и Sprintex, причем последний является слегка укороченным вариантом Лисхольм.

б. Спиральные нагнетатели

К ним относятся VW-G-нагнетатель, а также родственные нагнетатели с простейшей геометрией.

в. Механический центробежный нагнетатель

К этой группе относят ZF Turmat и его последующие модификации, которые сегодня прежде всего являются существенным компонентом рынка дополнительных агрегатов.

Поскольку нагнетатель приводится непосредственно от двигателя, то при механическом наддуве повышение частоты вращения рабочего вала нагнетателя происходит одновременно с повышением частоты вращения коленчатого вала двигателя. Соответственно при динамичной езде механический нагнетатель обеспечивает больший крутящий момент и лучшую приемистость, чем турбонагнетатель. Используя в приводе нагнетателя вариатор, можно улучшить также приемистость двигателя на средних нагрузках.

Если отсутствует избыточная мощность (порядка 10… 15 кВт для легкового автомобиля), необходимая для привода нагнетателя, то побочным эффектом указанных преимуществ может стать повышенный расход топлива. Этот недостаток компенсируется наличием в приводе нагнетателя специальной муфты, позволяющей отключать его при малых нагрузках. Другим недостатком нагнетателя являются его сравнительно большие размеры.

В качестве резюме можно выделить следующие преимущества и недостатки механического наддува перед турбонаддувом:

Преимущества:

— простота конструкции;

— относительно не дорог;

— уже при низких и средних частотах вращения двигателя создают высокое давление наддува;

— не высокий уровень шума;

— отсутствие помпажа;

— имеют свою систему смазки (не происходит дополнительного подогрева и старения основного масла);

— надёжность;

— возможность регулирования наддува;

Недостатки:

— потери мощности на привод;

— ниже КПД по сравнению с турбинами (нагнетатели Рут);

— повышенные нагрузки на привод;

— больший вес по сравнению с турбинами;

— ниже степень повышения наддува πк – 1,0…2,2 (нагнетатели Рут)

После Второй мировой войны среди компрессоров наступило затишье, так как постоянное усовершенствование «атмосферных» двигателей все больше и больше оттесняло на задний план задачи повышения мощности компрессоров, так что за 30 лет подобные разработки почти полностью исчезли с конструкторских; чертежей. И только в конце 70-х и начале 80-х стало появляться некоторое оживление в сфере разработок механических нагнетателей. Многие производители воодушевленные примером «G-нагнетателя» от VW, также решили пойти тем же путём и стали разрабатывать собственные разнообразные варианты нагнетательных агрегатов. Многие из них оказывались однодневными бабочками, но уже через ночь их новые версии вновь появлялись на испытательных стендах и так же, как и их безуспешные предшественники, вскоре снова демонтировались. Сейчас для нас представляют интерес только те агрегаты, которые по конструкции и принципу действия продолжили линейку давно известных и традиционных типов нагнетателей, например, нагнетатель типа «Рут» или лопаточный компрессор, и которые были разработаны с твердым намерением их будущего серийного производства через несколько лет. До сегодняшнего дня, собственно, дожили лишь нагнетатель типа «Рут» и винтовой компрессор. Они пошли в серийное производство в качестве надежных компонентов двигателя на заводах различных производителей.

В то время как различные варианты лопастного компрессора (среди которых, например, «Rotocharger» фирмы Bendix) уже на стадиях их разработки так и не приводили к успешным результатам, другие нагнетатели, напротив, сразу ждал успех и они (G-нагнетатель, Comprex), добравшись до серийного использования, были востребованы рынком. А некоторые другие были выпущены серийно только ограниченным тиражом (ZF Turmat.) и для своего возрождения активно подвергались дальнейшей модернизации. И на то, почему у механических нагнетателей, несмотря на столь оживленное вокруг них движение, в то время было слишком мало шансов, имеется много объяснений: выяснилось, что в будущем пространства под капотом двигателя будет становиться все меньше и что целый ряд других дополнительных агрегатов, например, сервонасос или компрессор кондиционера потребуют дополнительного «жизненного» пространства. К тому же стало ясно, что с повышением осознания уровня комфортности водителя все больше будут волновать такие аспекты, как шумы и динамические свойства автомобиля, и что при интересе к улучшению баланса исхода все больше и больше будет проявляться тенденция к снижению веса. И глядя со всех этих позиций на механический нагнетатель, выясняется, что не так уж он и блистает, да еще с учетом хорошего примечания: как в прошлом, так и в настоящем механические нагнетатели всегда были больше и тяжелее по сравнению с непобедимыми в этом отношении турбонагнетателями.

В зависимости от типа механический нагнетатель может иметь вес от шести до двенадцати килограммов. Его производительность, не важно, о каком типе нагнетателя идет речь, тесно связана с принципом его функционирования, а именно, пропусканием воздушной массы через свое собственное замкнутое пространство. Таким образом, производительность определяется только размерами или длиной агрегата. Прекрасным примером этого факта является используемый Мерседес и Ягуар нагнетатель типа «Рут»: небольшой 2,3-литровый двигатель Мерседес оснащен нагнетателем, который по диаметру ротора и длине меньше, чем у 4,0-литрового крупного \/8-двигателя Ягуар. И, наконец, механически приводимый нагнетатель — в зависимости от версии — более или менее подвержен сильной эмиссии шумов.

Виды систем охлаждения наддувочного воздуха

Имеются три вида систем охлаждения наддувочного воздуха: система «воздух/воздух», система «воздух/вода» и комбинированная система. Наиболее распространенной системой для легковых автомобилей является «воздух/воздух». Здесь охладитель наддувочного воздуха охлаждается проходящим атмосферным воздухом. Во втором варианте, системе «воздух/вода», в качестве охлаждающей среды используется жидкость. Такая система раньше использовалась только в отдельных случаях в двигателях легковых автомобилей (например, Тоуота Сеlica Тurbo 4 WD, дебют в 1988) или в тюнинг-секторе. В 90-е годы такие системы устанавливались в шести- и восьмицилиндровых двигателях Ягуар с механическим наддувом, турбодвигателях Пежо 405 Т 16. И третьим вариантом, который используется сегодня только в гоночном спорте, является комбинированная система охлаждения наддувочного воздуха. Она не применяется в серийных двигателях, поскольку занимает много места и слишком дорогостояща.

В системе охлаждения «воздух/вода-воздух», которое также называется «охлаждение хладагентом», происходит непосредственное охлаждение водой охладителя наддувочного воздуха. Таким образом, здесь охлаждение выполняется не в два этапа, как в смешанной системе. Этот тип охлаждения, вновь используемый Ягуар, имеет то преимущество, что охладитель наддувочного воздуха, в противоположность системе «воздух/воздух», меньше по размеру и теоретически может быть размещен в любой точке моторного пространства.

Специально для двигателей с механическим наддувом можно к тому же добавить, что такая среда, как вода, функционирует в охладителе наддувочного воздуха как дополнительный глушитель колебаний при появлении пульсаций давления поступающего и сжатого воздуха. Недостатком таких видов охладителей является тот факт, что воздух может быть охлажден в лучшем случае до уровня температуры хладагента радиатора автомобиля, поскольку система охлаждения наддувочного воздуха не имеет собственного радиатора жидкостного охлаждения (шести и восьмицилиндровые двигатели Ягуар), что опять бы привело к необходимости найти для него место под капотом. Недостаток системы «вода/воздух» заключается в том, что она слишком дорога, конструктивно затратна и прежде всего не столь эффективна по сравнению с системой «воздух/воздух». Причина: в охладителях наддувочного воздуха с водяным охлаждением происходит двукратный спад тепла, один раз от наддувочного воздуха к воде, и второй раз от воды вновь к атмосферному воздуху, который должен быть холоднее воды. Если установить внешний водяной радиатор для охладителя наддувочного воздуха, то это — в зависимости от ситуации использования — может привести к неприятностям в отношении веса и компоновки. Акцент здесь делается однозначно на слово «может». Поскольку, как всегда показывает практика, все зависит часто от соответствующего автомобиля. Наглядным примером может служить Ягуар со своими механически наддуваемыми шести- и восьмицилиндровыми двигателями. И особенно новый \/8 Supercharger в отношении компоновки разрешил эту трудную задачку. Ягуар сознательно разместил в царивших в моторном пространстве ХJS стесненных условиях систему водяного охлаждения, причем в сотрудничестве с производителем охладителей наддувочного воздуха Вehr из Штутгарта возник особенно удачный дизайн, который объединил оба охлаждаемых водой охладителя наддувочного воздуха и воздушный коллектор обеих головок цилиндров. Это позволило минимизировать пути, по которым охлажденный воздух должен подаваться в камеру сгорания, и к тому же повысило эффективность охлаждения. Охлаждение «воздух/воздух» в этой ситуации было бы совершенно немыслимо. Охлаждение «вода/воздух» имело здесь и преимущества в компоновке, так как водяные трубопроводы от жидкостного охладителя до охладителя наддувочного воздуха могли быть тонкими шлангами (примерно 30 мм), в противоположность напорным трубопроводам, по которым при охлаждении «воздух/воздух» должен перемещаться сжатый и охлажденный воздух через моторное пространство (около 80 мм).

В настоящее время наибольшее распространение получили нагнетатели типа «ROOT» и «LYSHOLM». Поэтому наиболее подробному анализу были подвергнуты именно эти два нагнетателя.

ROOT Supercharger

Наиболее простым и относительно дешёвым является нагнетатель типа «Рутс», имеющий 2 ротора. В корпусе овальной формы вращаются в противоположные стороны два ротора, имеющие специальный профиль. Роторы насажены на оси, связанные одинаковыми шестернями. Между самими роторами и корпусом поддерживается небольшой зазор. При вращении роторов, воздух захватывается лопастями компрессора, перемещается к стороне нагнетания, и сжимается уже в нагнетательном трубопроводе.

Основное отличие этого метода нагнетания в том, что воздух сжимается не внутри, а как бы снаружи компрессора, непосредственно в нагнетательном трубопроводе. Именно поэтому их иногда называют компрессорами с внешним сжатием. Воздух как бы зачерпывается кулачками (попадая в пространство между роторами и корпусом) и выжимается в нагнетательный трубопровод.

При выбрасывании сжатого воздуха из полости нагнетателя наблюдается сильное вихреобразование, на которое тратится значительная часть работы. Кроме того, значительные потери работы связаны с утечками сжатого воздуха через зазоры обратно во всасывающую полость. Всё это приводит к сильному падению КПД нагнетателя (особенно при увеличении давления наддува свыше 0,14-0,15 МПа)

Нагнетатели типа ROOT имеют рабочую частоту вращения обычно 6–9 тыс. оборотов в минуту, но она может доходить до 16 тыс. об./мин.

LYSHOLM Supercharger

Нагнетатель типа «Лисхольм» имеет 2 винтовых (спиральных) ротора, которые выполнены таким образом, что при их вращении возникают замкнутые объёмы, которые уменьшаются от периферии к центру, что позволяет осуществлять внутренне сжатие (в отличии от «Рутс»), благодаря чему можно увеличить степень повышения давления до 7 при наличии охлаждения корпуса.

Роторы имеют вид зубчатых колёс, причём ведущий ротор имеет 4 зуба, а ведомый 6 выемок, профиль которых соответствует профилю зубьев ведущего ротора. Окружные скорости роторов на наружном диаметре достигают 50-100м/с. Порция воздуха проталкивается вперед (как мясо вдоль шнека мясорубки). Роторы имеют между собой чрезвычайно малые зазоры. Это обеспечивает высокую эффективность и довольно малые потери. Основное отличие винтового компрессора от объемных роторно-шестеренчатых нагнетателей – наличие внутреннего сжатия. Это обеспечивает им высокую эффективность нагнетания практически на всей шкале оборотов двигателя.

Высокая быстроходность компрессора (до 12000 об/мин) делает его компактным. Кроме того, он имеет больший КПД (около 80%, в то время как у «Рутс» не более 50%), высокую надёжность и уравновешенность.

Для достижения больших значений давления может потребоваться охлаждение корпуса компрессора. Зато при стандартных, не экстремально больших давлениях наддува воздух нагревается не столь сильно, как в рутс-компрессора.

LYSHOLM имеет рабочую частоту вращения обычно 12–14 тыс. оборотов, но может доходить до 25 тыс. об./мин.