СИСТЕМА НАДДУВА

3

ЛЕКЦИЯ 15

СИСТЕМА НАДДУВА

1 Общие сведения о наддуве двигателей

Основными тенденциями в совершенствовании ДВС является повышение мощности при снижении расхода горючего и токсических компонентов отработавших газов. Анализ развития средств назнемного транспорта показывает, что поршневые двигатели еще долгое время будут сохранять лидирующие позициии. Конструкцию двигателя принято оценивать по литровой мощности

В основном увеличение мощности связано с увеличением числа оборотов коленчатого вала двигателя. Увеличение числа оборотов эффективно в том случае, если коэффициент наполнения имеет большую величину. С этой целью следует уменьшать потери во впускной и выпускной системах, использовать в них инерционные явления и совершенствовать системы газораспределения. Для повышения эффективной мощности с ростом числа оборотов необходимо снижать механические потери (применение соответствующих материалов, масел, стабильность температурного режима, очистка масла от механических примесей и его охлаждение, точность изготовления деталей и качество механической обработки поверхности).

Мощность двигателя может быть также увеличена за счет наддува. Для наддува применяют специальные компрессоры с приводом от коленчатого вала (затрачивается часть мощности) или газотурбинные, в которых воздух или горючая смесь сжимается до поступления в цилиндры. Сжатие заряда происходит быстрее чем повышение температуры заряда, поэтому плотность заряда после сжатия больше плотности заряда до компрессора. Массовое количество заряда, поступающего за цикл в цилиндр двигателя будет больше, чем при впуске из атмосферы.

2 Системы наддува

Наиболее характерными схемами наддува являются:

• механический наддув;
• турбокомпрессорный наддув (газовая турбина + центробежный компрессор);
• комбинированный наддув (механический + газотурбинный);
• компрессор расположен до карбюратора (нужна герметизация);
• компрессор расположен после карбюратора (улучшается смесеобразование, ухудшаются условия работы лопаток компрессора из-за топлива);
• импульсная система наддува;
• неимпульсная система наддува.

Наибольшее применение для наддува получили лопаточно-центробежные компрессоры. Основными параметрами компрессора являются степень повышения давления, производительность компрессора и адиабатический КПД. Работа, затрачиваемая на сжатие 1 кг воздуха в компрессоре от давления Ро до Рк (адиабатическое сжатие) определяется:

В действительности процесс сжатия происходит при наличиии теплообмена с окружающей средой и внутренних потерь, что увеличивает затрачиваемую работу. Это учитывается адиабатическим КПД (0,65 при степени повышения давления равной 1,3. При увеличении степени, КПД снижается до 0,5). Для достижения больших давлений наддува применяют роторно-шестеренчатые компрессоры.

В быстроходных двигателях применяют высокооборотные центробежные или осевые компрессоры (). При снижении КПД и повышении степени наддува значительно увеличивается работа, затрачиваемая на сжатие заряда в компрессоре и температура, эффективность наддува при этом снижается. При повышении степени наддува сверх определенного значения эффективная мощность не возрастает из-за уменьшения механического КПД двигателя вследствии роста мощности, затрачиваемой на привод компрессора.

Наддув несколько изменяет характер процесса сгорания вследствии повышения давления и температуры конца сжатия. При наддуве увеличивается количество топлива, участвующего в сгорании, следовательно возрастают максимальные зна чения давления, температуры конца сгорания, возрастает тапловая напряженность деталей. В момент перекрытия клапанов при наддуве происходит более лучшее охлаждение клапанов. Указанные обстоятельства следует учитывать при применении наддува.

В карбюраторных двигателях применение наддува ограничивается условиями возникновения детонационного сгорания и чаще всего применяется при эксплуатации автомобилей в горных условиях. Если применяется наддув в карбюраторном двигателе требуется коррекция показателя степени сжатия. Применение сравнительно высоких давлений наддува (больше 0,2 Мпа) требует изменения фаз газораспределения, применения холодильника для снижения температуры заряда после сжатия. Использование наддува наиболее эффективно в дизелях, где увеличение давления наддува лимитируется только термической и механической прочностью конструкции двигателя. Мощность дыигателя при этом повышается на 20-30% и среднее эфффективное давление возрастает до 0,9-0,95 Мпа.

3 Газотурбинный наддув

При ГТН для сжатия воздуха и его нагнетания используется часть энергии отработавших газов. Это позволяет частично утилизировать перепад между давлением в конце процесса расширения в цилиндре двигателя и атмосферным давлением воздуха. Мощность двигателй при ГТН может возрастать до 50%, снижается токсичность отработавших газов. Конструкция двигателя включает применение соответствующих материалов, что удорожает изготовление двигателя, но стоимость двигателя, отнесенная к единице мощности меньше, чем без наддува. Воздух поступает в компрессор через входное устройство в центре корпуса. Рабочее колесо и направляющий аппарат обеспечивают возрастание потенциальной и кинетической энергии, далее воздух поступает в диффузор и воздухосборник, откуда распределяется по цилиндрам при открытии клапана. Абсолютная скорость движения воздуха в колесе достигает 300-350 м/с.

Турбокомпрессор состоит из одноступенчатого центробежного компрессора и радиальной центростремительной турбины. Основными узлами турбокомпрессора являются: компрессорная ступень, турбинная ступень и узел подшипникков с уплотнениями. Колеса компрессора и турбины расположены на противоположных концах вала ротора консольно относительно подшипников. Рабочее колесо компрессора отливается из сплава типа АЛ4 в гипсовые формы, полученные по эластичным моделям. Колесо одевается на вал с натягом, поэтому при установке на вал оно нагревается до 1100-1300 гр.С. Рабочее колесо турбины полуоткрытого типа с радиальными лопатками изготавливается методом литья по выплавляемым моделям из жаропрочного никелевого сплава типа ИНКО-713С, АНВ-300 и им подобным. Оно соединяется с валом сваркой трением.Корпус изготавливается из жаропрочного чугуна. В турбокомпрессоре применен “плавающий” подшипник скольжения с невращающейся моновтулкой. От осевых перемещений ротор удерживается с двух сторон втулками кольцедержателями, напресованными на вал ротора турбокомпрессора. Смазака подшипника осуществляется от система смазки двигателя, под давлением, в корпус подшипников.Для устойчивой работы двигателя на всех оборотах, уменьшения эффекта "турбоямы", применена система регулирования давления, с помощью регулятора, путем перепуска газа мимо турбины.

Отработавшие газы поступают на лопатки соплового аппарата в корпусе. При прохождении газа через сопловый аппарат скорость его увеличивается. С этой скоростью газ поступает в лопаточные каналы рабочего колеса турбины. Тангенциальное действие струи газов на лопатки вызывает появление крутящего момента. На выходе из турбины устанавливают вращающийся выходной спрямляющий аппарат. Окружная скорость рабочих колес турбокомпрессора определяется напором, развиваемым турбокомпрессором. V=280-350 м/с. При средней температуре около 700 градусов Цельсия и более колеса турбин изготавливают из сплавов на никелевой основе. Для обеспечения высокой приемистости турбокомпрессора стараются снизить наружний диаметр и момент инерции рабочего колеса. По окружной скорости и диаметру рабочего колеса вычисляют частоту вращение ротора, которая может достигать 50000-80000 об/мин.

4 Характеристики автомобильных двигателей с наддувом

Расчетные характеристики турбокомпрессора должны обеспечивать характер нарастания крутящего момента аналогично двигателю без наддува. В этом случае наибольшая подача воздуха должна происходить на таком скоростном режиме, при котором крутящий момент максимальный. При увеличении цикловой подачи снижается коэффициент избытка воздуха, но его снижение должно быть таким, чтобы не происходило увеличение дымности отработавших газов. Отдельные конструкции турбокомпрессора имеют регулируемые сопловые каналы, которые при снижении числа оборотов коленчатого вала с помоью специального устройства поворачивают лопатки соплового аппарата в сторону уменьшения проходного сечения. В результате этого давление газа на входе повышается и скорость истечения увеличивается, что повышает частоту вращения вала ТК и давление свежего заряда. Удельный расход топлива практически остается одинаковым при повышении мощности двигателя.

В трубопроводах быстроходных автомобильных двигателей в процессе впуска и выпуска возникают колебания газового потока. Это явление во впускных и выпускных трубопроводах можно использовать для динамического наддува. Если настроить выпускную систему так, чтобы к концу процесса выпуска в момент перекрытия клапанов вблизи выпускного клапана образовывалось разряжение, то количество остаточных газов уменьшится, улучшится наполнение цилиндра. При аналогичной организации процесса впуска в конце впуска давление свежего заряда увеличивается, что вызывает улучшение наполнения цилиндра. Настройка динамической системы выпуска отработавших газов производится путем изменения длины выпускного трубопровода для каждой группы цилиндров. Правильно настроенная система выпуска и впуска обеспечивает увеличение эффективной мощности двигателя до 10%.

СИСТЕМА НАДДУВА