Наддув двигателей — виды, схемы, устройство. Турбонаддув бензиновых и дизельных двигателей
Принудительное нагнетание воздуха в цилиндры двигателя — эффективный метод увеличения его мощности. Мощность, развиваемая двигателем, зависит главным образом от массы воздуха, поступающего в цилиндры за единицу времени. Подача же в цилиндры необходимого количества топлива не представляет никаких затруднений. Количество воздуха, поступающего в цилиндры, зависит от рабочего объема цилиндров, частоты вращения коленчатого вала и объемного КПД (коэффициенты наполнения). При данном рабочем объеме двигателя и коэффициенте наполнения увеличить массу воздуха, проходящего через цилиндры двигателя за единицу времени, можно увеличением частоты вращения коленчатого вала, но пределом здесь является допустимое значение средней скорости поршня.
Еще один путь увеличения мощности двигателя заключается в повышении массового наполнения цилиндров, нагнетая воздух в цилиндры принудительно. С помощью компрессора можно без особых затруднений увеличить мощность двигателя на 25%, а с использованием промежуточного охлаждения воздуха посте компрессора — на 100% и более, при этом размеры и масса двигателя увеличиваются весьма незначительно. Этот метод форсирования двигателей очень перспективен и заслуживает самого пристального внимания, тем более что он имеет еще одно очень серьезное достоинство — двигатель может работать на рабочих смесях с большим избытком воздуха (на бедных смесях), что приводит к снижению содержания токсичных веществ в отработавших газах.
Наддув с помощью компрессора, приводимого от коленчатого вала, не позволяет улучшить экономичность двигателя, так как при этом не используется энергия отработавших газов. Рабочая смесь (или воздух) сжимается сначала в компрессоре, затем еще в цилиндрах двигателя, а расширяется только в цилиндрах двигателя. Поэтому отработавшие газы, покидая цилиндры, уносят с собой много энергии, так как они имеют высокую температуру и давление. Как известно, максимальная величина степени сжатия ограничена пределом возникновения детонации. Если рабочая смесь перед поступлением в цилиндры сначала сжимается в компрессоре, она сильно разогревается и при дальнейшем сжатии в цилиндрах детонация возникает скорее. Поэтому в двигателях с наддувом во избежание возникновения детонации необходимо уменьшить степень сжатия. Применение наддува позволяет увеличить литровую мощность двигателя, но с другой стороны снижение степени расширения газов (они расширяются только в цилиндрах) приводит к ухудшению теплового КПД двигателя и увеличению удельного расхода топлива.
Поэтому гораздо более выгодным с точки зрения экономичности двигателя является нагнетание воздуха в цилиндры с помощью турбонагнетателя, т. е. компрессора, приводимого турбиной, работающей на отработавших газах двигателя. Степень сжатия (а значит и расширения) приходится уменьшать и в этом случае, но отработавшие газы, выходящие из цилиндров при большом давлении и температуре, могут выполнить определенную работу в газовой турбине. Поэтому тепловой КПД такого двигателя снижается незначительно и более того, удельный расход топлива иногда получается несколько меньшим.
При высоком давлении наддува целесообразно охлаждать воздух после компрессора, прежде чем он поступит в цилиндры двигателя, чтобы работа, затрачиваемая на сжатие воздушного заряда не слишком увеличивалась. В бензиновых двигателях температура воздуха в цилиндрах ограничена пределом детонации. Высокая температура отработавших газов также нежелательна, поскольку при этом возрастает рабочая температура лопаток турбины. Максимальная допустимая температура лопаток турбины зависит от жаропрочности материала, из которого они изготовлены, и колеблется в пределах 900° С. С другой стороны, чем выше эта температура, тем выше эффективность работы турбонагнетателя. В дизелях турбина работает с температурами отработавших газов до 600° С. Температура отработавших газов бензиновых двигателей выше — 700-1000° С, в связи с чем требования к материалу лопаток более жестки. По мере совершенствования авиационных газовых турбин совершенствовался и материал для лопаток турбин. Это позволило всерьез начать работу над наддувом у бензиновых двигателей.
Турбонагнетатель для наддува автомобильного двигателя, работающий на отработавших газах, изображен в разрезе на рис. 1.
Рис. 1. Турбонагнетатель Эберспехер для наддува малых двигателей
Этот турбонагнетатель производства фирмы Эберспехер предназначен для наддува малых дизелей и имеет два входных канала в турбину для возможности лучшего использования импульсов давления в выпускном трубопроводе. Турбина в данном случае центростремительная, т. е. отработавшие газы поступают к колесу турбины снаружи и движутся по направлению к центру и выходят вдоль оси турбины. На рисунке хорошо видны направляющие лопатки для организации потока отработавших газов перед входом в колесо турбины.
Компрессор — центробежный. Засасываемый воздух поступает к колесу компрессора в центре и выходит под воздействием центробежных сил от периферии колеса в безлопаточный диффузор. Изображенный на рисунке турбокомпрессор предназначен для установки на двигатель мощностью 110 кВт (150 л. с.) и весит порядка 16 кг. Максимальная частота вращения вала турбонагнетателя в зависимости от его размеров может составлять от 50000 до 100000 об/мин.
Решение вопроса турбонаддува бензиновых двигателей связано с более сложными проблемами, чем наддув дизелей. При высоких частотах вращения турбонагнетатель подает слишком много воздуха, что ведет к слишком крутой внешней характеристике двигателя. В дизелях мощность при высоких частотах вращения ограничивается дозировкой топлива и двигатель работает с большим избытком воздуха. В бензиновых двигателях, где компрессор нагнетает в цилиндры уже готовую топливовоздушную смесь, регулировка мощности изменением качественного состава смеси невозможна, потому что слишком бедная смесь может просто не воспламениться, а при подаче смеси нормального качественного состава возникает необходимость снижения давления и температуры газов в камере сгорания во избежание возникновения детонации. Поэтому для снижения температуры газов в камере сгорания иногда применяют рециркуляцию части сжатой смеси на входе в компрессор, что позволяет регулировать давление наддува.
Интересный способ подачи воздуха в цилиндры двигателя применен на двигателе с воздушным охлаждением модели Шевроле Корве. Эта фирма одна из первых внедрила в серийное производство турбонаддув бензиновых двигателей. В рассматриваемом двигателе компрессор спроектирован таким образом, чтобы, начиная с определенного режима, соответствующего максимальному крутящему моменту двигателя, производительность компрессора искусственно ограничивалась, тем самым предотвращая увеличение давления наддува. Однако это снижение эффективности компрессора приводит к увеличению удельного расхода топлива. Но учитывая, что автомобиль редко использует максимальную мощность, это увеличение удельного расхода топлива не приводит к значительному увеличению среднего расхода топлива.
Поперечное сечение турбокомпрессора производства фирмы Томпсон для двигателя Корве показано на рис. 2.
Рис. 2. Турбонагнетатель Томпсон для бензинового двигателя
Диаметр колеса компрессора составляет лишь 76 мм. Вал турбонагнетателя, частота вращения которого равна около 80000 об/мин, установлен в разрезных алюминиевых втулках. Со стороны компрессора агрегат уплотнен от утечек масла графитовым кольцом, а со стороны турбины — кольцом типа поршневого. С левой стороны (на рисунке) турбина теплоизолирована от корпуса компрессора и особенно от подшипников чугунной пластиной. Соединение чугунного картера турбины с алюминиевым корпусом компрессора произведено с помощью кольца, которое также снижает теплопередачу. Максимальное давление наддува равно 0,07 МПа (0,7 кг/см²) при частоте вращения двигателя 3500 об/мин, далее оставаясь постоянным. Давление наддува используется для регулирования угла опережения зажигания.
В последнее время турбонаддув применяют и на двигателях гоночных автомобилей.
Компрекс есть способ принудительной подачи воздуха в цилиндры. Он основан на использовании энергии отработавших газов, но без вращающихся турбины и компрессора. Схематически этот способ наддува изображен на рис. 3.
Рис. 3. Принцип действия, устройство и схема наддува
двигателя Компрекс
1 — выпускной трубопровод; 2 — впускной трубопровод; 5 — выход из ротора в выпускной трубопровод; 4 — подвод воздуха от фильтра.
Основной частью устройства является ротор с продольными и открытыми с обоих концов каналами, соединяющими впускные и выпускные трубопроводы. Когда при вращении ротора открывается канал, соединяющийся с выпускным трубопроводом А двигателя, отработавшие газы поступают в канал ротора и вытесняют из них воздух во впускной трубопровод Б и далее в цилиндры двигателя. При дальнейшем повороте ротора сначала перекрывается доступ отработавших газов в канал, а сжатый воздух может еще в течение некоторого времени выходить в открытый впускной трубопровод. Вскоре после закрытия канала, ведущего во впускной трубопровод, открывается канал, соединяющийся с выпускным трубопроводом 1, в котором давление газов ниже. Поэтому отработавшие газы, сжатые в продольных каналах, расширяются и по выпускному трубопроводу 1 выходят в атмосферу. Когда давление в продольном канале снизится, откроется другой конец канала, ведущий во впускной трубопровод 2, и под действием возникающей волны разрежения в канал из атмосферы засасывается новая порция свежего воздуха. В результате продольный канал очистится от отработавших газов и наполнится чистым воздухом. Продолжительность открытия каналов должна быть такой, чтобы отработавшие газы не проникли во впускной трубопровод.
Частота вращения ротора устройства Компрекс и длина продольных каналов в роторе подбираются с таким расчетом, чтобы волна давления успела пройти в течение времени открытия канала с одного его конца до другого. Для того чтобы частота вращения ротора не получилась слишком большой, на каждой стороне ротора имеется два входа и два выхода. За один оборот ротора волна давления в обоих направления проходит дважды. Ранее привод ротора нагнетателя Компрекс осуществлялся от коленчатого вала с помощью клиноременного вариатора; в настоящее время привод ротора осуществляется с помощью клиноременной передачи с постоянным передаточным отношением, при этом максимальная частота вращения ротора составляет 14000 об/мин.
Нагнетатель Компрекс сочетает достоинства турбонагнетателя — низкий удельный расход топлива и малые габариты — и нагнетателя с механическим приводом — плоскую кривую крутящего момента с максимумом при низких частотах вращения, а также быструю реакцию на изменение частоты вращения двигателя. Расчет системы наддува Компрекс весьма трудоемок, и разработка ее основана больше на экспериментальных доводках.
Еще об устройстве, ремонте, обслуживании и эксплуатации автомототехники
| Поделитесь этой страницей в соц. сетях или добавьте в закладки: |
