Почему при наддуве предпочтительнее сжимать впускной поток, а не создавать вакуум на выходе?

Мощность двигателя внутреннего сгорания создаётся за счёт разницы давлений между цилиндром/камерой сгорания и картером. Более высокое давление в цилиндре приводит к тому, что камера сгорания расширяется, воздействуя на поршень, который движется от камеры сгорания к картеру. Это линейное движение преобразуется во вращательное с помощью поршня/картера. Давление в камере сгорания повышается за счёт химической реакции между бензином и кислородом. До начала реакции водород связан с углеродом, который имеет компактную структуру. После реакции водород и углерод, которые находились в бензине в связанном состоянии, теперь по отдельности связаны с кислородом. В результате образуются вода и углекислый газ (в основном). Вода и CO2 занимают больше места, чем исходный кислород O2 и бензин C5H12, и в результате в молекуле накапливается меньше энергии. Таким образом, давление и, следовательно, мощность увеличиваются за счёт того, что больше молекул O2 вступают в реакцию с большим количеством молекул C5H12. Легко влить больше бензина в камеру сгорания, но в какой-то момент кислорода для реакции с этим бензином уже не останется, и в итоге вы потратите бензин впустую, не получив дополнительной мощности. Чтобы получить больше мощности, нужно увеличить количество кислорода в камере сгорания, а для этого нужно подавать туда больше воздуха с помощью нагнетателя или турбокомпрессора. Таким образом, суть в том, чтобы в камере сгорания было больше химических реагентов, а не в том, чтобы повышать давление ради самого давления.

Во-первых, у вакуума есть ограничение: создав идеальный вакуум, вы не сможете добиться дальнейшего снижения давления. В отличие от этого, у создания давления практически нет верхнего предела. Например, по сравнению с обычным атмосферным давлением, максимальный вакуум, который мы можем создать, составляет около -15 фунтов на квадратный дюйм. В этот момент мы откачиваем весь воздух из контейнера; добиться большей разницы в давлении невозможно. Если мы сжимаем воздух, то можем достичь ещё большего давления, ограниченного только мощностью оборудования.

Во-вторых, суть наддува в том, чтобы подавать в камеру сгорания больше топливно-воздушной смеси: повышать там давление. Этого не произойдёт, если мы будем всасывать, а не нагнетать. Вы не сможете повысить давление в ёмкости, выкачивая из неё газ; в лучшем случае вы только снизите давление. Даже если другой клапан открыт, внутрь поступит ровно столько газа, сколько было выкачано.

Наконец, нет никакого смысла активно выводить выхлопные газы из камеры сгорания, кроме как во время такта выпуска. Во время такта сжатия выпускной клапан закрыт. Если бы выпускной клапан был открыт во время такта сжатия, такт превратился бы в такт выпуска: несгоревшая топливно-воздушная смесь прошла бы прямо через камеру и была бы выброшена в выпускной коллектор.

Самый простой способ взглянуть на это — понять, сколько можно откачать. Давление можно снизить только до нуля. Давление можно повысить настолько, насколько позволяет материал. Насос, который поднимает воду в гору, с помощью вакуума поднимет её всего на 1,2 метра, не считая проблем с закипанием воды, но за счёт сжатия на дне воду можно поднять на нужную высоту.

Здесь то же самое. Это может быть сложнее, потому что в двигателе есть давление, но лучший способ повысить степень сжатия — начать с большего давления, потому что ниже нуля опуститься нельзя.

Подача воздуха в двигатель требует затрат энергии, но каждый джоуль, потраченный на подачу воздуха для предварительного сгорания, увеличивает количество энергии, вырабатываемой на последующих этапах, более чем на джоуль. Эффективное увеличение мощности — это разница между дополнительными затратами энергии и увеличением выходной мощности.

Если бы можно было откачивать выхлопные газы, то можно было бы уменьшить количество работы, выполняемой частью двигателя, не оснащенной нагнетателем, но это уменьшение было бы меньше, чем количество дополнительной работы, выполняемой нагнетателем. Если бы у вас был высокоскоростной нагнетатель с частичным вакуумом, работающий на бесплатной энергии, и у вас было бы ограниченное пространство для его установки, то, разместив его на выхлопной трубе двигателя, вы могли бы использовать часть этой бесплатной энергии для полезной работы. Но если, например, нагнетатель будет работать от электричества, то эффективнее будет просто подавать электричество на двигатель, который напрямую помогает двигателю, приводя в движение вал.

Поскольку в вопросе не указан тип двигателя...

Как ни странно, существуют двигатели, которые создают вакуум на выходе.

Это паровые двигатели, поэтому вакуум создаётся простым добавлением холодной воды в конденсатор без потери мощности (*) для создания вакуума. Таким образом, энергия пара извлекается при температуре около 30 °C, а не при температуре кипения 100 °C при атмосферном давлении.

(*) Да, для извлечения конденсированной воды требуется совсем немного энергии. Но это важно: если бы вам пришлось создавать вакуум, откачивая пар или выхлопные газы, это свело бы на нет все преимущества.

Хотя самые первые «атмосферные двигатели Ньюкомена» работали именно так, они были очень неэффективными, поскольку пар на входе имел атмосферное давление, а процесс конденсации происходил в самом цилиндре. (Это позволяло использовать котлы низкого давления, что предотвращало взрывы в котлах и было безопаснее до тех пор, пока не улучшились материалы)

Позже в составных двигателях и двигателях тройного расширения стали использовать пар высокого давления в 2, а затем и в 3 цилиндрах, диаметр которых увеличивался по мере снижения давления. Вот один из них, развивающий мощность 2000 л. с. при частоте вращения почти 60 об/мин, при этом цилиндр низкого давления работает при давлении от 2 фунтов на кв. дюйм (чуть выше атмосферного) до довольно хорошего вакуума (< 1 фунт на кв. дюйм).

Это используется в турбинных системах тепловых электростанций.

На мой взгляд, это неплохая идея, но на самом деле она не имеет смысла по нескольким причинам:

1. Двигатель Отто или дизельный двигатель без наддува сами по себе не расширяют газ даже до атмосферного давления. При открытии выпускного клапана происходит сброс избыточного давления, что приводит к потере энергии ещё до начала такта выпуска. (Это конкретная причина, по которой цикл Аткинсона более эффективен: он снижает давление в этой точке за счёт того, что в цилиндре изначально меньше воздуха.)
   Следовательно, противодавление турбокомпрессора на самом деле имеет смысл — хотя на такте выпуска поршень должен совершить дополнительную работу, чтобы вывести сгоревший газ из цилиндра, энергия, потерянная при этом, меньше энергии, которую может извлечь турбокомпрессор.
   (При использовании нагнетателя без турбонаддува — «компрессора» — вы не получите такого преимущества.)


2. Для повышения эффективности также требуется высокая степень сжатия (поскольку это увеличивает максимальный КПД цикла Карно). Следовательно, было бы контрпродуктивно использовать турбонаддув для снижения давления в двигателе. Напротив, турбонаддув — это очень практичный способ увеличить степень сжатия.


3. Турбокомпрессор просто нагнетает больше воздуха в двигатель. Соответственно, вы можете подавать больше топлива и таким образом получать более высокую мощность при том же рабочем объёме. Но количество воздуха — это не то, что можно изменить постфактум на выходе, это нужно делать, нагнетая дополнительный воздух на впускном тракте — что, конечно же, и делает любой турбокомпрессор.

Таким образом, турбокомпрессор увеличивает как мощность, так и эффективность.
Предлагаемый вами турбонагнетатель снижает эффективность, так как всасывание во время такта выпуска обеспечивает лишь незначительное увеличение мощности, а для создания вакуума требуется отдельный источник энергии. Энергия не даётся бесплатно.

Вопрос OP звучит так:

Из этого следует, что турбонаддув должен одинаково эффективно отводить воздух как из выпускного, так и из впускного коллектора.

Нет, это не так эффективно.

Вы не можете снизить давление до уровня ниже 0 фунтов на квадратный дюйм. Таким образом, максимальное разрежение, которое вы можете получить, составляет 1 бар.

Давление наддува в высокопроизводительных двигателях может составлять от 2 до 3 бар. Но при работе на стороне выхлопа этого добиться невозможно. Лучшее, что можно сделать, — это улучшить продувку.

Прямого пути от впускного коллектора к выпускному нет, по крайней мере один набор клапанов всегда будет закрыт. Выпускные клапаны открываются, и поршень выталкивает выхлопные газы из цилиндра, затем выпускные клапаны закрываются, а впускные открываются, чтобы впустить свежую топливно-воздушную смесь. Низкое давление в выхлопной системе может немного ускорить выход выхлопных газов, но это ни на йоту не повысит давление в цилиндре, в отличие от турбонаддува или нагнетателя. Увеличение потока выхлопных газов — это неплохо, и вы можете извлечь из этого некоторую пользу, но не такую значительную, как при сжатии впускного коллектора.

Мощность двигателя не определяется разницей в давлении между камерой сгорания и выхлопной системой. Мощность определяется тем, сколько энергии можно подать в камеру сгорания, и эффективностью использования этой энергии.

При сжатии всасываемого воздуха в «смесь» добавляется дополнительный кислород, что позволяет увеличить мощность и обеспечить более чистое сгорание, если двигатель спроектирован правильно. Это относится как к турбокомпрессорам, так и к нагнетателям.