Ремонт и техническое обслуживание TOYOTA MARK II, CHASER, CRESTA

На рис. 4.2.8 представлена схема регулирования  давления наддува перепуском ОГ с  использованием в качестве управляющей  величины отношения давления отработавших газов на входе в турбину  к давлению на входе в компрессор .

Рис. 4.2.8. Схема регулирования  давления наддува перепуском отработавших газов с использованием в качестве управляющей величины отношения  давления / : - давление ОГ непосредственно перед турбиной; - давление воздуха на входе в компрессор (остальные обозначения см. рис. 4.2.4)

В приведенной схеме с одной  стороны мембраны действует давление , а с другой стороны - давление на входе в компрессор и усилие пружины.

Характеристика наддува в силу уже названных выше причин аналогична той, что имеет место при регулировании  по давлению . Но при этом имеется возможность использовать еще более жесткую пружину. Помимо недостатков, отмеченных для способа с регулированием по давлению , здесь оказывает влияние и загрязненность воздушного фильтра.

На рис. 4.2.9 представлена схема регулирования  давления наддува перепуском ОГ с  использованием в качестве управляющей  величины отношения давления наддувочного воздуха  к давлению на выходе из турбины . В приведенной схеме давления и действуют совместно с одной стороны мембраны, с другой стороны мембраны им противодействует усилие пружины.

Вследствие перепада давлений / сжатый воздух через небольшое дросселирующее отверстие перетекает в выпускной трубопровод. Так как противодавление газов на выпуске с ростом потока газа увеличивается, то при высокой мощности двигателя регулировочный клапан открывается больше, чем на средних частотах вращения коленчатого вала. Это, в свою очередь, вызывает снижение давления наддува при повышенной частоте вращения КВ. В результате обеспечивается выпуклая характеристика мощности двигателя при работе на средних частотах вращения KB, и улучшается его приёмистость по аналогии с тем, что имеет место при регулировании по отношению давлений / .

Рис. 4.2.9. Схема регулирования  давления наддува перепуском отработавших газов с использованием в качестве управляющей величины отношения  давлений / : - давление наддувочного воздуха непосредственно после компрессора; - давление ОГ на выходе из турбины; 8-дросселирующее отверстие (остальные обозначения см. рис. 4.2.4)

Во всех описанных выше способах регулирования давления наддува  со стороны выпуска ОГ в качестве основного, а иногда и единственного  параметра управления перепускным  клапаном использовалось соответственно давление наддува или другое давление в системе двигателя. Несмотря на различные вариационные возможности, этому способу управления давлением  наддува оказались присущи недостатки, при которых достигаемый в  итоге характер изменения давления наддува не отвечал желаемому.

Избежать названных недостатков  можно путем применения свободно управляемого байпасного клапана. Свободное  управление в этом случае означает, что кроме давления наддува (или  других давлений в системе) на перепускной клапан оказывают управляющее воздействие и другие параметры. Такими параметрами являются нагрузка (положение дроссельной заслонки), частота вращения KB, температура наддувочного воздуха, сигналы датчика детонационного сгорания, температура двигателя (охлаждающей жидкости) и др. Свободно управляемые байпасные клапаны, получающие сигналы управления от системы контроля за работой двигателя, например Motronic, отвечают современному уровню развития серийных двигателей с наддувом. На рис 4.2.10 показана схема регулирования давления наддува в двигателе автомобиля SAAB 9000 Turbo с использованием свободно управляемого байпасного клапана.

Рис. 4.2.10. Схема регулирования  давления наддува в двигателе  автомобиля SAAB 9000 Turbo: 1 - впускной коллектор; 2 - блок цилиндров двигателя; 3- выпускной  коллектор; 4 - перепускной (байпасный) клапан; 5-турбокомпрессор; 6-глушитель; 7 - воздушный фильтр; 8 - заборник воздуха; 9 - электромагнитный клапан; 10-холодильник наддувочного воздуха; 11 - дроссельная заслонка; 12 - датчик частоты вращения KB; 13 - датчик детонационного сгорания; 14 - датчик нагрузки двигателя; 15 - электронный блок управления

На всех режимах работы двигателя  электронный блок управления обеспечивает давление наддува на максимальном уровне, при котором детонационное сгорание не возникает. При появлении детонации  элетронный блок управления 15 по сигналу  датчика 13 подает управляющий сигнал на электромагнитный клапан 9, задавая  режим его работы. В результате на мембрану перепускного клапана 4 может  воздействовать не полное давление наддува, а лишь некоторая его часть. Перепуск ОГ клапаном 4 производится до момента  полного исчезновения детонационного сгорания.

Такая схема регулирования позволяет  быстро увеличивать крутящий момент и мощность двигателя на непродолжительное  время (у различных двигателей от 16 до 45 с), что необходимо, например, для резкого ускорения при  совершении обгонов.

При резком нажатии на педаль акселератора и открытии дроссельной заслонки 11 по команде электронного блока  управления перепускной клапан на это  время закрывается, и весь поток  ОГ следует через турбину. Благодаря  этому давление наддува, а следовательно, и мощность двигателя резко увеличиваются (иногда этот режим работы обозначают термином overboost - перегрузка). На некоторых  двигателях для защиты их от поломок  в результате перегрузки режим overboost не включается, если частота вращения KB уже достигла номинального значения, или если автомобиль движется на первой передаче. Кроме того, безопасность работы двигателя в режиме overboost контролируется датчиками, регистрирующими  названные выше параметры и посылающими  соответствующие сигналы в электронный  блок управления.

Двухступенчатый турбонаддув. При  желании достигнуть высокого уровня форсирования двигателя с помощью  турбонаддува возникает проблема, обусловленная  недостаточной производительностью  серийных ТК, если давление наддува  должно быть более 3,3 бар. Для решения  этой проблемы используют двухступенчатый  турбонаддув, суть которого поясняется схемой, представленной на рис. 4.2.11.

Рис. 4.2.11. Схема двухступенчатого турбонаддува с перепуском ОГ впервой  ступени: 1 - заборник воздуха; 2 - воздушный  фильтр; 3 - глушитель; 4 - турбокомпрессор  первой ступени; 5 - холодильник наддувочного воздуха первой ступени; 6 - перепускной (байпасный) клапан; 7 - турбокомпрессор  второй ступени; 8 - холодильник наддувочного воздуха второй ступени; 9 - цилиндр  двигателя

ТК первой ступени 4 всасывает воздух через заборник 1 и фильтр 2. После  сжатия в компрессоре первой ступени  воздух охлаждается в холодильнике 5 и подается на вход компрессора  ТК второй ступени 7, где он сжимается  до более высокого давления и через  холодильник 8 нагнетается в цилиндры двигателя. ОГ двигателя направляются сначала к турбине ТК второй ступени, а затем проходят через турбину ТК первой ступени и далее в выпускную систему двигателя. После прохождения ТК второй ступени ОГ часть своей энергии теряют, и чтобы обеспечить необходимую для двигателя производительность воздуха, ТК первой ступени должен иметь увеличенные размеры по сравнению с ТК второй ступени.

Для повышения эффективности системы  ТК первой ступени снабжается клапаном 6 перепуска ОГ в обход турбины. В качестве управляющей величины здесь используется давление наддувочного воздуха на входе в компрессор второй ступени. Такое решение позволяет  использовать в первой ступени наддува  ТК уменьшенного размера, а значит, и с уменьшенной инерционностью. Следует заметить также, что эффективность  ТК второй ступени при открытии перепускного клапана увеличивается, что связано  с уменьшением противодавления  на выпуске турбины этой ступени. При дополнении приведенной схемы  блоком электронного управления и возложении на перепускной клапан функций свободно управляемого клапана, реагирующего также  и на температуру наддувочного воздуха  перед компрессором второй ступени, появляется принципиальная возможность  отказаться от холодильника наддувочного воздуха, расположенного после компрессора  первой ступени.

5.  МОДЕРНИЗАЦИЯ СИСТЕМЫ ВЫПУСКА  ОТРАБОТАВШИХ ГАЗОВ

В современном автомобиле на систему  выпуска отработавших газов (ОГ) возлагается  несколько важных функций:

• глушение шума при выпуске ОГ до уровня, не превышающего установленных санитарных норм;
• уменьшение количества токсичных компонентов в ОГ до значений, не превышающих предельно допустимых концентраций.

Наряду с выполнением этих функций  система выпуска должна обеспечивать:

• хорошую очистку и продувку цилиндров двигателя;
• минимальные потери энергии ОГ на пути от выпускных клапанов до лопаток соплового аппарата турбины;
• работу турбины при минимальных пульсациях потока ОГ.

Кроме того, система выпуска должна иметь относительно простую конструкцию  и быть технологичной в изготовлении. Выполнение названных требований позволяет  получить приемлемый расход топлива, снизить  вероятность поломки лопаток  турбины, уменьшить металлоемкость системы выпуска и облегчить  ее обслуживание.

Основной проблемой при стремлении оснастить автомобиль эффективной  системой глушения шума является трудность  размещения глушителя достаточно больших  размеров. Обычно эта проблема решается путем установки на автомобиль нескольких (до трех) последовательно соединенных  глушителей с меньшими габаритами вместо одного большого. Важным требованием, предъявляемым при этом к выпускному тракту, является наличие минимального сопротивления движению ОГ и уменьшение за счет этого потерь мощности двигателя.

Для уменьшения количества токсичных  компонентов в ОГ в выпускной  тракт современных автомобилей  устанавливается каталитический нейтрализатор. Особенность разработанных конструкций  каталитических нейтрализаторов в  том, что эффективную нейтрализацию  содержащихся в ОГ токсичных компонентов  они осуществляют лишь при значении коэффициента избытка воздуха  = 0,994 ± 0,003. С целью определения количества содержащегося в ОГ кислорода и коррекции (при необходимости) состава топливовоздушной смеси, обеспечивающего эффективную работу каталитического нейтрализатора, в выпускном тракте устанавливается датчик обратной связи, так называемый лямбда-зонд, который называют также кислородным датчиком. На некоторых автомобилях фирмы Toyota такой датчик устанавливается как на входе газов в каталитический нейтрализатор, так и на выходе из него. Это позволяет блоку управления оценивать эффективность работы каталитического нейтрализатора.

Следует заметить, что при установке  каталитического нейтрализатора сопротивление  выпускного тракта неизбежно возрастает, что сопровождается некоторым уменьшением  эффективной мощности двигателя (на 2 - 3 кВт). Чтобы общее сопротивление  выпускного тракта при установке  каталитического нейтрализатора сильно не возрастало, последний размещают  обычно на месте предварительного глушителя. Поскольку максимальная экономичность  двигателя имеет место при  работе на обедненных смесях ( 1,05...1,15), то вынужденная работа двигателя во всем диапазоне нагрузок на смеси практически стехиометрического состава неизбежно ведет к снижению экономичности (до 5%).

Выпускной тракт системы стремятся  выполнить таким образом, чтобы  при осуществлении возложенных  на него основных функций он способствовал  бы более полной очистке камер  сгорания от остаточных газов и более  полному наполнению цилиндров двигателя  свежим зарядом. В зависимости от способа организации движения потока ОГ на участке от выпускных клапанов до входа в турбину турбокомпрессора выпускные системы разделяют  на системы постоянного давления, импульсные, импульсные с преобразователями  импульсов и эжекционные однотрубные.

Выпускные системы постоянного  давления из-за имеющихся серьезных  недостатков на автомобильных двигателях практически не применяются. Наибольшее распространение здесь получили системы импульсные и импульсные с преобразователями импульсов. Рассмотрим эти системы подробнее.

В силу цикличности протекания рабочего процесса в поршневых ДВС в  выпускном тракте, как и во впускном, возникает колебательное движение газов, в результате которого образуется волна давления.

Благодаря большой разности давлений газа в цилиндре и выпускном тракте, в первый момент с начала открытия выпускного клапана из цилиндра выходит  значительное количество газов. В этот период, называемый предварительным  выпуском, создается распространяющаяся со скоростью звука волна давления. Эта волна, отражаясь от стенок выпускного трубопровода, при определенных обстоятельствах  может воспрепятствовать дальнейшему  вытеканию газа из цилиндра, обусловленному большой разностью давлений в  начальный период выпуска. Последующая  очистка цилиндра от остаточных газов  осуществляется в этом случае лишь за счет выталкивающего действия поршня. Очевидно, что при таких условиях количество газов, остающихся в камере сгорания от предыдущего цикла, будет  наибольшим. Это отрицательно скажется на последующем наполнении цилиндра свежим зарядом и соответственно на мощности, экономичности и экологических  показателях двигателя.

Однако, образующуюся волну давления можно использовать и для создания за выпускным клапаном условий, способствующих улучшению очистки цилиндра от остаточных газов. Для этого выпускную систему необходимо настроить так, чтобы к концу процесса выпуска в период имеющейся фазы перекрытия клапанов за выпускным клапаном при прохождении волны образовалось разрежение. Это приведет к увеличению количества вытекающих из цилиндра остаточных газов и улучшению наполнения его свежим зарядом. Настройка выпускной системы осуществляется путем подбора длины и площади сечения выпускных трубопроводов. На начальном этапе работ названные параметры выпускной системы предварительно могут быть определены расчетным методом, однако затем необходима проверка и уточнение полученных результатов на испытательном стенде. При выполнении этих достаточно трудоемких работ с целью сокращения количества опытов для получения ожидаемого результата следует воспользоваться приемами, известными из теории планирования эксперимента.