Двигатели
внутреннего сгорания

 
         

 

Главная
Основы конструирования
Расчеты
Силы и моменты
Поршневая группа
Шатуны и штоки
Коленчатые валы
Подшипники
Система газораспределения
Корпусные детали
Анализ конструкции
Устройство и
принцип действия

КШМ
ГРМ
Система смазки
Система охлаждения
Система питания
Система зажигания
Пуск двигателей
Увеличение мощности
Разное

Турбонадув

Турбонадув бензиновых двигателей целесообразен только для спортивных .машин, где компактный турбокомпрессор позволяет обеспечить высокий наддув.
Несмотря на ухудшение топливной экономичности на режиме наддува,, в целом наддув бензиновых двигателей чрезвычайно выгоден прежде всего с точки зрения уменьшения расхода топлива иа основных эксплуатационных режимах.
Сравним условия работы на одном и том же автомобиле двух двигателей с одинаковой номинальной мощностью — безнаддувного с большим литражом и двигателя с меньшим рабочим объемом цилиндров, но с наддувом. На рис. 10.2 показаны тягово-скоростная характеристика автомобиля (кривая Ц, т. е. мощность, затрачиваемая на преодоление сопротивления движению, внешняя скор'Остная характер ристика двигателя без наддува (кривая /) и условная внешняя скоростная характеристика двигателя меньшего литража (кривая 1') с «выключенным» наддувом. На всех частичных скоростях движения меньший двигатель затрачивает на' движение автомобиля большую долю мощности (сравните кривые 3' и .З) и, следовательно, работает в более экономичном режиме с меньшим удельным расходом топлива (кривая 4). И только на режиме наддува (кривая -2'), когда необходимо реализовать полную мощность, экономичность двигателя ухудшается по сравнению с безнаддувным вариантом. Однако доля использования полной мощности для автомобиля общего назначения (принимая во внимание законодательное ограничение скорости движения) представляет незначительную часть всего времени эксплуатации.
Турбонаддув поршневых двигателей основан на использовании энергии отработавших газов, вытекающих на рабочие лопатки колеса турбины, которую располагают на одном валу с лопаточным нагнетателем, как показано на схеме рис. 110.3, а. В зависимости от принятой конструкции выпускного турбопровода и корпуса турбины турбокомпрессор может работать либо при постоянном давлении газов, либо при переменном (импульсном) давлении газов на входе в турбину. В импульсных системах наддува отработавшие газы подводят к турбине обособленными патрубками от каждого цилиндра или от группы цилиндров (рис. 110.3,6), подобранных с учетом порядка работы так, что выпуски из них не перекрываются или чередуются с .наибольшими промежутками времени. При импульсном наддуве более полно используется энергия отработавших газов, улучшается и очистка цилиндров от. них. Патрубки в этом случае делают возможно короткими с минимально допустимым объемом. ;                '' ~>
В системах наддува с постоянным давлением газы из всех цилиндров подводят к турбокомпрессору по общему трубопроводу достаточно больщого сечения, что и способствует выравниванию давления. Такой наддув характерен для многоцилиндровых быстроходных автомобильных двигателей.
Массовый расход компрессора определяется количеством и температурой протекающих через турбину отработавших газов. Уве-
личение подачи топлива в дизеле или открытие-дроссельной заслонки в бензиновом двигателе приводит к увеличению количества отработавших газов и соответственно увеличению массового расхода компрессора. Турбонаддув позволяет несколько снизить требования к воспламеняемости топлива, так как вследствие повышенных температур и давлений сжатого воздуха в цилиндрах условия для воспламенения улучшаются. Поэтому турбонаддув широко применяют как в обычных, так и в многотопливных дизелях.
К недостаткам турбонаддува следует отнести замедленную реакцию двигателя на изменение нагрузки в связи с тепловой и механической инерцией турбонагнетателя.
Конструкция турбонагнетателя двигателя ЯМЭ-238Н показана на рис. 10.4. Здесь применена радиально-осёвая центростремительная турбина с двухсекционным смешанным подводом отработавших газов. Каждую секцию питают от отдельного ряда цилиндров. Входные патрубки 1 турбины 3 расположены симметрично и закручены в направлении вращения турбины, а входные направляющие лопатки изготовлены заодно с сопловым венцом 2. Рабочее колесо турбины приварено к валу 5 нагнетателя, рабочее колесо 9 которого насажено на этот вал со шпонкой и закреплено гайкой 10. На выходе из турбины устанавливают направляющие лопатки или щелевой диффузор 11. Вал турбокомпрессора уложен в двух подшипниках скольжения 12. Со стороны турбины и нагнетателя под-
шипники закрыты кольцевыми уплотнениями 4, 8 и, кроме того, введен маслоотражатель 7. Упорный подшипник 6 расположен со стороны нагнетателя. Смазку подшипников осуществляют маслом из системы смазки двигателя, причем перед подачей в корпус турбокомпрессора оно подвергается дополнительной тонкой очистке в специальном объемном фильтре.
Массовый расход турбокомпрессора нелинейно зависит от количества протекающих через, турбину отработавших газов. Если обеспечивается требуемая степень повышения давления на режиме максимального крутящего момента, то на номинальной мощности (при большем расходе отработавших газов через турбину) степень повышения давления, как правило, превышает требуемый уровень. В связи с этим в систему наддува устанавливают клапанные устройства, позволяющие перепускать часть газов мимо турбины (см. рис. 10.3, в) или часть наддувочного воздуха возвращать на всасывающую сторону компрессора (см. рис. 10.3, а).
Устройство для перепуска (см: рис. 10.3, г) состоит из клапана Зл устанавливаемого перед входом газов на рабочее колесо турбины У, который открывают мембранным механизмом 5 под действием давления либо нагнетаемого воздуха, либо отработавших газов перед турбиной. По каналу 2 часть отработавших газов перепускают непосредственно в приемную трубу глушителя. Перепускной клапан испытывает, воздействие высоких температур и агрессивной среды отработавших газов, поэтому его изготовляют из высококачественных материалов. В некоторых конструкциях применяют охлаждение стержня перепускного клапана наддувочным воздухом. Небольшая часть сжатого в турбокомпрессоре воздуха протекает в зазор 4 между направляющей втулкой и стержнем, охлаждает их, а затем, смешиваясь с отработавшими газами, выбрасывается в атмосферу. Давление открытия клапана регулируют натяжением пружины 6. Аналогично устроен клапан перепуска наддувочного воздуха.
Для уменьшения токсичности отработавших.газов, прежде всего для уменьшения содержания окислов азота, часть перепускаемых отработавших газов примешивают иногда к всасываемому воздуху и при этом происходит так называемая рециркуляция отработавших газов (см. рис. 10.3, в).
Перепуск сжатого воздуха или смеси чаще используют в системах наддува бензиновых двигателей, степень повышения давления в которых, регулируют по началу детонационного сгорания. В этом случае система значительно быстрее реагирует на управляющий импульс.
Роторные нагнетатели типа «Рут» (рис. 10.5, а) устанавливают на двухтактных двигателях ЯМЗ, а аналогичные, но меньшего размера применяют для наддува малолитражных бензиновых двигателей. Роторы 6 и 7 помещены в корпус 5 и приводятся во вращение валом 3, соединенным с шестерней 2 привода упругой муфтой 1. Малые нагнетатели .двигателей приводятся зубчатым ремнем от носка коленчатого вала. Воздух транспортируется во впадинах между лопастями роторов и выдавливается на нагнетающей стороне при входе лопастей в зацепление. Синхронное вращение роторов обеспечивают шестернями Щ 8. Степень повышения давления составляет.
На объемных нагнетателях, используемых для наддува бензиновых двигателей, могут быть установлены муфты отключения на частичных нагрузках, а приводной механизм оснащают вариаторами, которые позволяют изменять передаточное отношение между коленчатым валом и роторами для согласования расходных характеристик двигателя и нагнетателя. Для этих же целей удобно использовать гидравлическую муфту (см. р#с. 5.9).
Способ наддува «Компрекс», разработанный швейцарской фирмой «ВВС» для автомобильных двигателей, также использует энергию отработавших газов, однако сжатие наддувочного воздуха происходит без всяких промежуточных "Элементов при непосредственном контакте его с отработавшими газами в специальном роторе-синхронизаторе (рис. 10.6). Между продольными пластинами ротора (чир л о пластин показано условно, в реальной конструкции их значительно больше) образуются каналы, которые при его вращении последовательно соединяются с патрубками на выпускной и нагнетающей сторонах. В канале а ротора находится воздух, поступивший туда во время предыдущего цикла через впускной па-
трубок 2. При повороте ротора на некоторый угол рассматриваемый нами канал займет положение б, когда в него открывается выпускной патрубок <? двигателя. Находящиеся под давлением отработавшие газы сжимают воздух и через нагнетающий канал 1 выталкивают его в цилиндры (положение в). При дальнейшем повороте ротор'а оставшаяся часть сжатого воздуха, уже частично перемешанная с отработавшими газами, расширяется и выталкивает их в атмосферу через патрубок 4, а на их место через впускной патрубок 2 поступает свежая порция воздуха. Аналогичные процессы совершаются последовательно во всех каналах ротора. Большое значение здесь имеют волновые процессы, обусловливающие хорошую очистку и наполнение каналов ротора и "сжатие воздуха в них без перемешивания с отработавшими газами.
Ротор приводят во вращение от коленчатого вала двигателя клиноременной передачей. Частота его вращения примерно в три раза выше частоты вращения двигателя. Поскольку сам ротор не совершает никакой механической работы, затраты на его привод невелики и составляют менее 1% мощности двигателя, а давление впуска, по данным фирмы, удается таким способом увеличить на 20—30%. Основной проблемой является соответствующая газодинамическая настройка всей системы, которая должна работать в широком диапазоне изменения частотьщвращения вала двигателя. Большая или меньшая степень перемешивания воздуха с отработавшими газами и соответствующие фазы перекрытия каналов позволяют осуществлять рециркуляцию отработавших газов и снижать содержание оксидов азота в них. Зазоры между корпусом и ротором должны быть минимальными, их материалы подбирают таким образом, чтобы максимально исключать влияние1 тепловых деформаций при последовательном действии горячих отработавших газов и холодного воздуха.
Описанная система является пока экспериментальной. Внедрение ее в массовое производство будет зависеть от многих факторов и прежде всего от эффективности, эксплуатационной надежности, долговечности и стоимости производства.

1 2 3

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

 



  Разработано специально для liciss.ru, все права защищены.
Копирование материалов сайта разрешается только с указанием прямой индексируемой ссылки на источник.