2 Виды наддува

Со времени, когда очевидной стала необходимость применения наддува двигателей, появилось множество вариантов наддува. Основными видами наддува являются следующие:

Рис. 2.1

Системы наддува можно квалифицировать по:

1) способу подачи воздуха без нагнетателя за счет инерции столба самого воздуха или газа;

2) конструкции нагнетателя;

3) виду привода нагнетателя;

4) типу связи между наддувочным агрегатом и двигателем.

Инерционный наддув (без нагнетателя, называемый еще «резонансным», «волновым», «акустическим») осуществляется за счет колебания давления во впускном трубопроводе поршневого двигателя.

Волна понижения давления во впускном трубопроводе у входа в цилиндр во время такта впуска со скоростью звука перемещается до противоположного открытого конца трубопровода, отражается от него и в виде волны давления движется опять же со скоростью звука ко впускному клапану. Выбирая длину трубопровода таким образом, чтобы волна давления подходила к заключительному периоду впуска, можно обеспечить подачу заряда в цилиндр под избыточным давлением, осуществляя тем самым наддув двигателя (Рис. 2.2).

Рис. 2.2а Схема впускного тракта.

1 — корпус воздухоочистителя или специальный резонатор

Рис. 2.2б Протекание давления во впускном трубопроводе перед входом в цилиндр по углу поворота коленчатого вала

- скорость поршня;

- время-сечение открытия впускного клапана;

- давление перед впускным клапаном.

Необходимую для этого длину трубопровода l можно расчитать по времени τ прохождения волны от клапана к открытому концу трубопровода и обратно.

Здесь - скорость звука в воздухе, м/сек.

Здесь - угол поворота кривошипа за время, ,°п.к.в.;

n — частота вращения кривошипа, мин^-1.

Энергия для «разгона» столба воздуха во впускном трубопроводе берется за счет дополнительной работы поршня, т.е. за счет повышения насосных и механических потерь двигателя.

Инерционный наддув как самостоятельная система наддува применяется в двигателях легковых автомобилей. Длина впускного трубопровода может изменяться в зависимости от скоростного режима двигателя, обеспечивая тем самым высокое наполнение цилиндров двигателя в широком диапазоне режимов.

В сочетании с газотурбинным наддувом инерционный наддув применялся в дизелях грузовых автомобилей — система комбинированного наддува Шера (Рис. 2.3).

Рис. 2.3 Система комбинированного наддува,

предложенная Г. Шером

Уровень повышения давления наддува при инерционном наддуве сравнительно невелик, поэтому такие системы обычно используются не для повышения максимальной мощности двигателя, а для улучшения протекания характеристики крутящего момента.

Другой известный способ подачи воздуха в цилиндры двигателя под повышенным давлением — это использование волн давления выпускных газов в газодинамической машине «Компрекс» (наименование «Comprex» происходит от английских слов compression – сжатие и expanding – расширение) (Рис. 2.4).

Рис. 2.4 Схема устройства системы наддува «Компрекс»

1 — выпускной трубопровод;

2 — впускной трубопровод;

ВНД — воздух низкого давления;

ВВД — воздух высокого давления;

ГВД — газ высокого давления;

ГНД — газ низкого давления;

Р — ротор.

Принцип действия этой системы основан на том, что волна давления, проходящая через канал трубопровода, отражается на свободном конце отрицательно, т.е. как волна разрежения, а на закрытом конце как волна давления, и, наоборот, всасывающая волна на открытом конце отражается как волна давления, а на закрытом конце — как волна всасывающая.

Система «Компрекс» состоит из ротора с осевыми каналами — ячейками трапецеидального сечения, открытыми с торцов. Ротор, укрепленный в подшипниках и окруженный кожухом, приводится во вращение через ременную передачу от коленчатого вала двигателя. Мощность, необходимая для вращения ротора, невелика, т.к. она расходуется только на преодоление трения в подшипниках и вентиляционных потерь.

Воздушные и газовые каналы сходятся на торцевых сторонах корпуса. Осевые каналы — ячейки ротора — совпадают поочередно то с торцевыми стенками корпуса нагнетателя, то с впускными или выпускными трубопроводами, ведущими либо к двигателю, либо к атмосфере через воздухоочиститель или глушитель.

Привод агрегатов наддува может осуществляться:

1. от коленчатого вала ДВС прямо или через отключаемое устройство («приводные нагнетатели»);

2. от постороннего источника энергии, например, так называемый «е-привод» - от электродвигателя («электроподдерживаемый наддув»);

3. от турбины, использующей энергию отработавших газов ДВС (турбокомпрессоры).

В качестве приводных нагнетателей используют либо объемные нагнетатели (поршневые, роторно-шестеренчатые (типа «Рутс»), роторно-винтовые, роторно-пластинчатые (шиберные)), либо лопаточные (как правило, центробежные).

В приводном нагнетателе типа «Рутс» (Рис. 2.5) два ротора особой формы, оси которых связаны между собой, при помощи шестерен соединенные с ведущей шестеренкой нагнетателя, которая, в свою очередь, связана со шкивом, приводимым в движение коленчатым валом посредством ременчатой передачи. Вращающиеся в противоположных направлениях роторы буквально «всасывают» воздух через входное отверстие, проталкивая воздушные потоки в т. н. распределительный отсек.

Рис. 2.5 Приводной нагнетатель типа «Рутс»

Другой представитель механических нагнетателей – винтовой (нагнетатель Линхольма) по своей форме и структуре очень похож на нагнетатель Рутса (Рис. 2.6), но на поверку отличается от него кардинально.

Рис. 2.6 Приводной нагнетатель Линхольма

Формы роторов винтового нагнетателя более заострены, а сами они напоминают саморезы или винты мясорубки. При вращении роторов воздух, попадающий внутрь нагнетателя, прогоняется через этот конвейер спиралей и к выходу из корпуса уже находится в сжатом состоянии. Кроме того, воздух сжимается уже внутри устройства, а это значит, что неоткуда будет взяться тем силам противодействия, что выталкивают воздух назад в натнетателе типа «Рутс».

Приводные центробежные нагнетатели (Рис. 2.7) выполнены в форме улитки и обладают примерно теми же свойствами, что и турбины.

Рис. 2.7 Приводной центробежный нагнетатель

Воздух, попадая в корпус нагнетателя, подхватывается лопастями рабочего колеса и, раскручиваясь, центробежными силами прижимается к внешним стенкам корпуса. На этом этапе воздушный поток достигает огромной скорости, но пока его давление слишком мало. Затем при помощи диффузора достигается обратный эффект: при выходе из нагнетателя скорость воздушного потока уменьшается, а давление, наоборот, возрастает, за счет «поджимающего» сзади воздуха. Эффективность центробежных нагнетателей пропорциональна оборотам двигателя. На низких оборотах прирост мощности практически не ощущается (хотя он и больше, чем у той же турбины), зато на средних и высоких мощность взмывает вверх.

Двигатели с газотурбинным наддувом часто называют «турбопоршневыми двигателями» или «комбинированными двигателями».

У турбокомпрессора (Рис. 2.8) колесо компрессора и колесо турбины сидят на одном валу. Энергия потока отработавших газов, которая в обычных двигателях не используется, преобразовывается здесь в крутящий момент - выходящие из цилиндров двигателя отработавшие газы подаются на колесо турбины, где их кинетическая энергия преобразуется в механическую энергию вращения (крутящий момент). Колесо компрессора засасывает свежий воздух через воздушный фильтр, сжимает его и подает в цилиндры двигателя. Количество топлива, которое можно смешать с воздухом, при этом можно увеличить, что позволяет двигателю развивать большую мощность. Существует также множество других конструкций турбокомпрессоров

Рис. 2.8 Турбокомпрессор

Преимущества и недостатки различных видов наддува

Наддув приводными объемными нагнетателями обеспечивает быстрое реагирование на изменение скоростного режима двигателя.

Недостатки способа — большие механические потери на малых нагрузках, сравнительно большие размеры и масса агрегатов наддува, наличие механической передачи, зачастую сложность размещения на двигателе. В значительной мере это относится и к центробежным приводным нагнетателям. Для наиболее рационального использования приводных объемных нагнетателей необходимо устройство, обеспечивающее отключение их от двигателя при малых нагрузках, когда нет необходимости в наддуве. Кроме того, механические нагнетатели снижают к.п.д. двигателя, т.к. на их привод расходуется часть мощности силового агрегата.

К достоинствам объемного нагнетателя типа «Рутс» относятся высокая эффективность на малых и средних оборотах, долговечность конструкции и низкий щум. Однако, при достижении определенного давления воздух начинает просачиваться назад, снижая к.п.д. системы.

Винтовые нагнетатели типа «Лисхольм» эффективны практически во всем диапазоне оборотов двигателя, компактны, бесшумны, но очень сложны в изготовлении, следовательно, дороги.

Волновые обменники «Компрекс» хотя и обеспечивают быстрое реагирование на изменение режима ДВС, не способны развивать высокие давления наддува, громоздки, требуют механического привода.

Наиболее удачным оказался газотурбинный наддув в широком диапазоне размеров ДВС от мотоциклетных до судовых мощностью в десятки тысяч киловатт. Преимущества этого вида наддува: более полное использование энергии топлива за счет расширения полезной площади термодинамического цикла, автоматическая подстройка (хотя и не всегда достаточная для транспортных двигателей) к изменению режима работы ДВС, сравнительно малые размеры и масса, относительная свобода размещения на двигателе. Недостатки турбонаддува - ухудшение приемистости двигателя — в значительной мере нивелируются применением специальных мер регулирования давления наддува, уменьшением инерции вращающихся частей турбокомпрессоров.