Краткая историческая справка

История создания и применения наддува двигателей имеет такую же протяжённость, что и история создания автомобиля. Ещё в 1885 г. немецкий инженер Готлиб Даймлер, создатель марки автомобилей Мерседес, запатентовал систему наддува двигателя, причём, конечно, простейшую. Немного позднее, в 1896 г. создатель двигателя с самовоспламенением от сжатия Рудольф Дизель запатентовал специальный тип компрессора для наддува ДВС. Однако только в 1905 г. швейцарец Бюши начал изучать и разрабатывать специальный компрессор, связанный с турбиной. Именно этот агрегат послужил прототипом ныне известных и широко применяемых для наддува турбокомпрессоров. В 1909 г. Бюши уже запатентовал своё изобретение, но лишь в 1916 он совместно с французом Рато дал наиболее полное патентное описание практически современного турбокомпрессора.

В более ранние времена уже предлагались компрессоры разных типов для наддува ДВС. Так, в 1912 г. испанец швейцарского происхождения Маркос Биркинг, создатель фирмы Испано – Сюиза, представлял в Париже своё изобретение – компрессор с лопатками, имевший привод от коленчатого вала двигателя (см. схему на рис.1.16).

Рис. 1.16. Компрессор для наддува 4-х тактного двигателя, созданный в 1912 г. инженером Birking^ Вх – вход в компрессор, Нагн. – нагнетание воздуха в двигатель.

Компрессор был трёхступенчатым. Т. е. три колеса с радиальными лопатками размещались на одном валу и проводили сжатие воздуха последовательно. Очевидно, что массовый расход воздуха через каждую ступень одинаков. А объёмный уменьшается в соответствии с размерами колёс. Т. е. при одинаковых частотах вращения объёмный расход сжатого газа снижался, а давление росло.

Во время первой мировой войны 1914 – 1918 г. г. в военных действиях разных армий начали широко применяться самолёты. Именно тогда инженеры пришли к мысли о необходимости подачи в двигатель горючей смеси под давлением, превышавшим атмосферное, для того, чтобы компенсировать потерю мощности двигателей авиационных моторов при подъёме на высоту, когда внешнее давление атмосферного воздуха снижалось.

Производители авиационных двигателей в те времена как правило являлись и производителями автомобильных двигателей. Поэтому разработки, направленные на повышение “потолка” (повышения высотности полёта самолётов), нашли применение и в наземных двигателях для повышения их мощности, а также для компенсации потерь мощности при работе двигателей в высокогорных районах. Известно, что плотность атмосферного воздуха снижается с подъёмом на высоту. При высоте порядка 5400 метров над уровнем моря из – за пониженного массового наполнения свежим зарядом цилиндров двигателя его мощность снижается на почти 50%. Поэтому и возникло решение о предварительном, до подачи его в цилиндры, повышении давления воздуха с помощью компрессора. В те годы в авиации не применялись дизельные двигатели из – за их более высокой массы и габаритов. Поэтому наддув осуществлялся для двигателей бензиновых, которые выпускались фирмами Фиат, Мерседес, Испано – Сюиза, Рено и другими (прежде всего английскими и американскими).

Первый компрессор с утапливаемыми лопатками конструкции Уиттига (иногда называемый шиберным, см. рис.1.17) с 1923 г устанавливался на двигатели Фиат и Мерседес.

Рис. 1.17. Один из первых компрессоров с лопатками, утапливаемыми в полость ротора (лопатки – шиберы), применённый Уиттингом в 1923 г. для двигателей Фиат.

Однако проблемы со смазкой и низкая долговечность таких компрессоров привели к созданию и применению компрессоров типа Рут (см. рис.1.18).

Рис. 1.18. Английский двигатель 1924 г. марки Sunbeam с компрессором объёмного типа – компрессором типа Рут: К – компрессор.

Последние применялись широко в авиационных двигателях и на двигателях подводных лодок. А вообще развитие этих компрессоров началось с 1919 г., когда экспериментально была доказана возможность их работы с частотой вращения 10000 мин^-1. Тогда они начали устанавливаться на двигателях автомобилей Мерседес Книхт (четырёхтактные двигатели с бесклапанным (золотниковым) газораспределением). В опытном варианте была достигнута частота вращения порядка 18000 мин^-1. Достоинством конструкции компрессора типа «Рут» является то, что его роторы в корпусе и друг относительно друга работают с зазорами. Благодаря этому снижаются шумность работы, износы, не требуется смазка роторов.

В эти же времена некоторые североамериканские фирмы создавали двигатели с наддувом по довольно старым патентам, например, патент Чедвика 1907 - 1908 г.г. (рис. 1.19).

Рис. 1.19. Двигатель с наддувом от поршневого компрессора, связанного с коленчатым валом двигателя К-компрессор, Д – двигатель.

Развитию турбокомпрессоров очень помогло то, что в те годы очень возросла потребность в высокофорсированных и по мощности, и по частоте, двигателях для гоночных машин. Поскольку они были бензиновыми, то и преимущественное развитие наддув получил на бензиновых ДВС. Лишь в сороковых годах турбонаддув начинает широко применяться на дизелях. Строители крупных судовых и стационарных двигателей, например, швейцарская фирма Зульцер (рис. 1.20), принимает участие в создании и использовании практически уже современных турбокомпрессоров, применимых для малооборотных дизелей.

Рис. 1.20. Судовой двухтактный дизель с турбонаддувом фирмы Зульцер (Sulzer): Вып. – выпускной коллектор, ВП – впускной коллектор, ТК – турбокомпрессор.

Такие компрессоры выпускаются, например, фирмой Броун Бовери (рис. 1.21).

Известно практическое применение дизелей с высоким наддувом в качестве авиационных двигателей (СССР). Их создание относится к концу 30^х – началу 40^х годов. Предназначались они для дальней бомбардировочной авиации. Самолёт имел пять дизелей с высоким турбонаддувом, причём, 4 двигателя работали на винты, о один – в качестве привода дополнительного компрессора, который включался в работу лишь при высотах, порядка 5000 метров над уровнем моря и выше. В соревновании с бензиновыми двигателями такой тип двигателя победил, благодаря его высокой экономичности. Т. е. масса силовой установки, определяющаяся не только весом самого двигателя, а включающая и необходимый запас топлива, у дизельного варианта оказалась ниже.

Рис. 1.21. Турбокомпрессор фирмы Броун Бовери (Broun – Boveri): К – колесо компрессора, Г – газовая турбина, П – подшипники ротора, Ф – фильтр воздуха, Нагн. – нагнетание воздуха в двигатель.

Конечно, последующее развитие газотурбинных двигателей вытеснило поршневой двигатель из области авиации (за исключением малоразмерной, деловой, спортивной). Однако интересно отметить, что преимущество дизеля в экономичности по сравнению с любыми другими тепловыми двигателями, ещё совсем недавно вновь помогло победить в сравнительном соревновании трёх типов двигателей для крылатой ракеты. Тогда в исследованиях США сравнивались турбопоршневой двигатель (дизель с высоким газотурбинным наддувом), газовая турбина и ракетный двигатель.

По мере развития наддува и повышения его уровня двигатели становились всё меньше при той же мощности, хотя насыщенность силовой установки вспомогательным оборудованием возрастала (турбокомпрессоры, системы охлаждения воздуха, системы регулирования и проч.) (см. рис. 1.22).

Рис. 1.22. Лёгкий высокооборотный автомобильный четырёхтактный дизель с газотурбинным наддувом и промежуточным охлаждением воздуха. ТК – турбокомпрессор, Охл – охладитель наддувочного воздуха, ВП – впускной коллектор, А – к охладителю, Б – к двигателю от охладителя.

Вплоть до нашего времени двигатели грузовых автомобилей отличались большим числом вариантов внешнего оформления (рис. 1.23).

Рис. 1.23. V – образный 16-ти цилиндровый дизель марки MWM, оборудованный двумя турбокомпрессорами.

И лишь в настоящее время конструкторы научились сбалансированно и компактно располагать в подкапотном пространстве дизели с агрегатами наддува, воздухоснабжения, регулирования, теплообмена (рис. 1.24).

Рис. 1.24. Сбалансированная, компактная установка турбокомпрессора на дизеле Mack (США) грузового автомобиля.

В дальнейшем мы более подробно познакомимся с различными схемами и системами наддува, применяемыми в двигателях внутреннего сгорания на современном уровне.

Дата добавления: 2014-12-26