Хорошее наполнение цилиндра достигается в четырехтактном двигателе при следующих условиях:
- незначительное давление в цилиндре к концу открытия выпускного клапана, при этом в цилиндре должно оставаться по возможности меньше отработавших газов, и он должен хорошо продуваться;
- при закрытии впускного клапана давление в цилиндре должно быть большим.
При подгонке коллекторов и окон можно достичь вышеуказанных условий. На рис. 9.9 представлены колебания давления на впускном и выпускном клапанах. В начале впуска давление перед впускным клапаном низкое, и поршень, движущийся вниз, вызывает колебание во впускном коллекторе. После прохождения полуволны, то есть при максимуме давления, впускной клапан закрывается. Колебания давления в коллекторе продолжаются, пока при следующем впуске на впускном клапане не будет находиться «впадина» волны и цикл не сможет начаться заново.
Рис. 9.9. Колебания давления во впускном и выпускном коллекторах четырехтактного двигателя
При открытии выпускного клапана пик повышенного давления позади клапана резко увеличивается из-за удара отработавших газов. Вызываются колебания, которые протекают таким образом, что к концу закрытия выпускного клапана и уже при открытом впускном клапане давление в цилиндре очень низкое. При этом возникает движение воздуха в направлении, противоположном направлению распространения ударной волны, что помогает поступлению в цилиндр свежего заряда смеси.
Двухтактный двигатель может иметь наддув без нагнетателя продувочного воздуха с помощью подгонки коллекторов и патрубков (рис. 9.10). Во время продувки в цилиндре должно создаваться незначительное давление, которое к моменту наддува резко возрастает.
Данные опубликованы на сайте: peugeotbook
Рис. 9.10. Колебания давления в цилиндре двухтактного двигателя во время смены заряда смеси
Еще одну возможность использовать ударную волну для улучшения наполнения цилиндра предоставляет импульсный преобразователь давления (рис. 9.11). Он состоит из двух форсунок, расположенных друг возле друга, которые соединяются с общей смесительной трубкой с подсоединенным диффузором. В диффузоре вследствие преобразования энергии скорости в кинетическую энергию создается такое высокое давление, что отработавшие газы могут вытекать в атмосферу. Выпускные патрубки каждого отдельного цилиндра должны подсоединяться к импульсному преобразователю энергии таким образом, чтобы, сообразно порядку работы цилиндров, отработавшие газы проходили по очереди сначала через одну, а затем через вторую форсунку. Импульсный преобразователь давления может устанавливаться только на тех двигателях, где интервалы между вспышками в цилиндрах меньше продолжительности открытия выпускного клапана. Принцип работы преобразователя описывается на примере первого и пятого цилиндров шестицилиндрового двигателя, которые по порядку зажигания расположены один за другим.
Рис. 9.11. Шестицилиндровый четырехтактный двигатель с импульсным преобразователем давления
Отработавшие газы первого цилиндра протекают через форсунку I. К концу данного процесса открывается выпускной клапан пятого цилиндра, а отработавшие газы, находящиеся в нем под большим давлением, проходят через форсунку II с сильным ускорением и снижением давления. В смесительной трубке отработавшие газы пятого цилиндра смешиваются с газами первого цилиндра и ускоряют их. При этом в патрубке I происходит движение воздуха в направлении, противоположном направлению распространения ударной волны, которое направлено к первому цилиндру. Вследствие перекрытия клапанов тем временем открывается впускной клапан первого цилиндра, и движение воздуха в направлении, противоположном направлению распространения ударной волны, позволяет свежему заряду смеси попасть в цилиндр. С помощью настройки патрубков впускного коллектора в соответствии с действием импульсного преобразователя давления можно значительно улучшить наполнение цилиндра.
В нагнетателе «Comprex» (рис. 9.12) для наддува используются колебания давления газа. Нагнетатель состоит из ротора с плавающими подшипниками, который разделен посредством радиальных перегородок на множество секций, и фиксированного корпуса с четырьмя отверстиями на обеих сторонах. Ротор приводится в действие посредством клинового ремня. Мощность привода составляет около 1% мощности двигателя и служит для преодоления механических потерь на трение.
Рис. 9.12. Схема работы нагнетателя «Comprex»
Принцип действия нагнетателя «Comprex» показан на рис. 9.13. Отработавшие газы попадают в секции, сжимают находящийся там свежий заряд смеси и выталкивают его, как только секции при дальнейшем вращении ротора подходят к отверстию для подачи смеси в цилиндр двигателя.
Рис. 9.13. Принцип действия нагнетателя «Comprex»
Отработавшие газы, поступающие в секцию нагнетателя, вызывают ударную волну, которая направляется к другому концу секции. Частота вращения нагнетателя должна настраиваться таким образом, чтобы секция достигала отверстия для заряда смеси только тогда, когда туда прибывает ударная волна. На открытом конце секции ударная волна отражается и движется как волна всасывания обратно к выпускному коллектору и т.д. Когда отработавшие газы наполняют секцию на три четверти, она закрывается сначала со стороны выпуска и затем на стороне заряда смеси. Таким образом, предотвращается попадание отработавших газов в нагнетательный патрубок. Как только секция вновь подходит к выпускному отверстию, отработавшие газы расширяются и поступают в систему выпуска отработавших газов. В секции образуется пониженное давление, в это время секция открывается, таким образом со стороны всасывания поступает свежий заряд смеси. Отверстия на стороне выпуска и всасывания имеют такие размеры, что отработавшие газы выдуваются протекающим свежим зарядом смеси без потерь. В то же время хорошо охлаждается ротор. Время открытия впускного и выпускного окон, а также частота вращения ротора согласовываются со скоростью распространения волны и скоростью потока газов. Частота вращения ротора может изменяться только в соответствии со скоростью распространения волны. Данное условие противоречит требованию касательно упрощенного привода. Благодаря карманам на перегородках между отверстиями достигается работа нагнетателя во всем диапазоне рабочей частоты вращения коленчатого вала, хотя привод нагнетателя имеет постоянное передаточное число.
Впускные и выпускные отверстия выполняются в корпусе попарно для обеспечения равномерности термической нагрузки ротора и механической нагрузки нагнетателя. Кроме того, экономятся размеры, так как каждая секция ротора проходит два рабочих цикла за одно вращение.
При ускорении нагнетатель «Comprex» срабатывает быстрее, чем турбонагнетатель. Удельный расход топлива при этом незначительный. Нагнетатель «Comprex» может также использоваться с подводом к нему отработавших газов с постоянным давлением. Степень наддува при этом должна составлять от 1,8 до 3, чтобы размеры нагнетателя не были слишком большими. Именно поэтому нагнетатель «Comprex» не подходит для двигателей с небольшой степенью сжатия.