Исследовательская и проектная деятельность

Билибин Д. В. Турбонаддув как средство повышения мощности на примере сравнения Honda CR-V 2.0 и Honda CR-V 1.5 turbo


Оригинал материала размещен в выпуске № 05 (31) https://f.almanah.su/31.pdf


Актуальная проблема автомобильных конструкторов последнего столетия – это вопрос об увеличении мощности автомобильных двигателей. Существует зависимость между увеличением мощности двигателя и количеством сжигаемой топливной жидкости за рабочий цикл.
В 1911 году патентным ведомством США был запатентован принцип турбонаддува инженера Альфреда Бюхи.
История развития турбокомпрессоров началась примерно в то же время, что и постройка первых образцов двигателей внутреннего сгорания (ДВС). Еще в 1885 году Готлиб Даймлер и Рудольф Дизель проводили исследования в области повышения вырабатываемой мощности и снижения потребления топлива путём сжатия воздуха, нагнетаемого в камеру сгорания. В 1905 году швейцарский инженер Альфред Бюхи впервые успешно осуществил нагнетание при помощи выхлопных газов, получив при этом увеличение мощности до 120 %.
Коренной перелом в развитии турбокомпрессоров произошёл с установкой в 1977 году турбокомпрессора на серийный автомобиль Saab 99 Turbo и затем в 1978 году выпуском Mercedes-Benz 300 SD. Это был первый легковой автомобиль, оснащенный дизельным турбодвигателем.
Следует отметить, что дизельные двигатели имеют повышенную степень сжатия и, вследствие адиабатного расширения на рабочем ходу, их выхлопные газы имеют более низкую температуру. Таким образом, это снижает требования к жаропрочности турбины и позволяет делать более дешёвые или более сложные конструкции.
Приведем описание процесса, который происходит в двигателе внутреннего сгорания, оснащенного турбиной.
Для правильного функционирования двигателя внутреннего сгорания и выделения им энергии нужен кислород. Поэтому в цилиндре сгорает не топливная жидкость, а воздушно - топливная смесь. Как только смесь поджигается, происходит преобразование энергии в мощность. По завершении этого процесса остатки горения выбрасываются в атмосферу. Как правило, данный процесс делится на четыре такта поршней: подача, сжатие, переработка топливно - воздушной смеси и выброс продуктов сгорания.
Турбонагнетатель способствует повышению качества сгорания смеси топлива и воздуха за счет того, что подает в цилиндры двигателя дополнительные порции кислорода. Реакция, возникающая при поступлении кислорода в цилиндр, вызывает смещение поршня вниз, что приводит к выработке дополнительной мощности и увеличению крутящего момента. Турбина сжимает воздух таким образом, чтобы при поступлении в двигатель, его плотность увеличивалась. Условно турбокомпрессор можно разделить на компрессор и ротор. От переработанных выхлопных газов ротор получает вращение, а соединенный с турбиной ротора компрессор, в свою очередь, работает в качестве «вентилятора» и нагнетает воздух в цилиндры. За счет трения и компрессии, сжатый воздух сильно нагревается. Его приходится дополнительно охлаждать (загнав в цилиндр большее количество кислорода, давление его повышается). Для этого предусмотрен интеркулер (теплообменник) — промежуточный охладитель, установленный между компрессором и цилиндрами мотора. Понижая температуру воздуха, теплообменник одновременно уплотняет его.
Сравним автомобиль, не оснащенный турбодвигателем (Honda CR-V 2.0 ), и автомобиль, оснащенный турбодвигателем (Honda CR-V 1.5 turbo).
В первом случае 16-клапанный двигатель с верхним расположением распредвалов, блок цилиндров из легкого сплава с системой управления клапанами i-VTEC, развивает максимальную мощность 150 л.с., что соответствует 6500 об.мин. В свою очередь максимальный крутящий момент данного двигателя составляет 189 Нм, что соответствует 4300 об.мин. При этом объем двигателя 1997 см3.
Рассмотрим автомобиль с турбодвигателем (Honda CR-V 1.5 turbo). Максимальная мощность данного двигателя – 190 л.с., что соответствует 5600 об.мин. А максимальный крутящий момент достигает 243 Нм – 2000-5000 об.мин. Объем двигателя составляет 1498 см3.
В итоге, можно сделать вывод, что двигатель автомобиля Honda CR-V 2.0 уступает по мощности автомобилю той же марки с турбированным двигателем Honda CR-V 1.5 turbo на 27% – в 1,27 раз. Также максимальный крутящий момент в первом случае меньше на 29% - в 1,29 раз. Но следует заметить, что при всем при этом объем у турбированного двигателя заметно уменьшается – на 33%, в 1,33 раза соответственно, что говорит о его компактности. Турбомоторы обладают более высокой мощностью при сравнительно небольшом рабочем объеме в сравнении с атмосферными аналогами на 20-30%.
Турбированный двигатель способен обеспечить лучшие показатели крутящего момента, и при этом является более экологичным решением, так как топливо сгорает в цилиндрах более полноценно, что очень важно в настоящее время, когда проблема загрязнения атмосферы выхлопными газами не потеряла своей актуальности. В их составе присутствует множество токсичных компонентов, в том числе имеющих канцерогенный и тератогенный эффект.
Поэтому применение турбокомпрессоров оказалось перспективным как с точки зрения форсирования моторов, так и в смысле повышения чистоты и экономичности выхлопа, что особенно актуально для дизельных двигателей.
Таким образом, если сравнивать турбомотор с атмосферным аналогом, который имеет аналогичную мощность, автомобиль с турбиной окажется более экономичным и экологичным по сравнению с безнаддувным вариантом.
Библиографический список
1.       HONDA CR-V [Электронный ресурс]. – Режим доступа: https://auto.honda.ru/crv/ (дата обращения 12.04.2020г.)
2.       Технические характеристики Honda CR-V 1.5 turbo [Электронный ресурс]. – Режим доступа: https://www.gazeta-a.ru/autocatalog/Honda/CR-V/15_turbo/ (дата обращения 12.04.2020г.)
3.       Турбонаддув как радикальное средство повышения мощности: книга / Марк Уорнер // Изд - во Легион - Автодата – 2009. – 224 с.
4.       Нугманов А.З. Турбонаддув как средство повышения мощности / А.З. Нугманов, И.Р. Хузин, М.Т. Аллагулова // Наука. Технологии. Инновации. – 2018. - №12. – С. 88-89.
5.       Дружинин А.М. Так ли необходим турбонаддув двигателю внутреннего сгорания? / А.М.Дружинин // Вестник машиностроения. – 2012. - №5. – С. 40-46.
6.       
2020