1.4. Методы организации наддува
Как отмечено выше, двигатель с наддувом отличается от двигателя без наддува лишь обязательным наличием компрессоров. Они могут быть разной конструкции, иметь разный принцип подвода энергии для их привода. В настоящее время наиболее распространённым является применение турбонаддува, т. е. применение центробежного компрессора с приводом от газовой турбины, которая получает энергию от отработавших газов дизеля (их называют также свободными турбонагнетателями, свободными газотурбонагнетателями, свободный наддув). На рис. 1.3 показана принципиальная схема такого метода наддува. Видно, что отработавшие газы по выпускному коллектору 1 поступают на лопатки газовой турбины 2, которая приводит во вращение центробежный компрессор 5. Воздух, сжатый в компрессоре, по впускному каналу 6 поступает в цилиндры двигателя 7.
Рис. 1.3. Принципиальная cхема двигателя с турбонаддувом: 1 – выпускной коллектор, 2 – газовая турбина, 3 – выпуск газов после турбины, 4 – вход воздуха в компрессор, 5 – центробежный компрессор, 6 – впускной коллектор, 7 – двигатель.
Для наддува ДВС применяются также объёмные компрессоры. Схема одного из них, называемого компрессором типа “Рут”, представлена на рис. 1.4. Такой компрессор как правило выполняется с приводом от коленчатого вала двигателя. Наиболее широко он применяется на сравнительно крупных дизелях.
Компрессор типа Рут широко применяется и в автотракторных дизелях, и на дизелях судового, тепловозного назначения.
Рис. 1.4. Общий вид конструкции объёмного компрессора (нагнетателя) типа Рут.
Компрессор, показанный на рис. 1.5, также является компрессором объёмного типа. Его лопатки могут перемещаться в пазах вращающегося ротора, который эксцентрично размещён в корпусе.
Рис. 1.5. Схема компрессора с лопатками, утапливаемыми в ротор
(иногда называемого шиберным).
Благодаря этому создаются эффекты всасывания и сжатия воздуха. Компрессор как правило, используется с приводом от коленчатого вала.
Центробежные компрессоры (лопаточные машины) также могут применяться для “механического” наддува двигателей. На рис. 1.6 показана схема двигателя с таким наддувом. Связь компрессора с коленчатым валом осуществляется через мультипликатор М, который многократно повышает частоту вращения центробежного компрессора по отношению к частоте вращения вала двигателя.
Рис. 1.6. Схема центробежного компрессора с приводом от коленчатого вала двигателя.
На рисунке обозначено: Ц – цилиндр двигателя, Вп – впускной коллектор, К – компрессор с лопатками, Вх – вход воздуха в компрессор, М – мультипликатор (повышающий редуктор) привода центробежного компрессора К.
1.5. Турбонагнетатели
В настоящее время наибольшее распространение среди агрегатов наддува нашли турбокомпрессоры (ТК) или, иначе, газотурбонагнетатели (ГТН). Внешний вид такого агрегата показан на рис. 1.7. Агрегат является компактным, в массовом производстве сравнительно дёшев. Крупные мировые фирмы специализируются на их выпуске.
Рис. 1.7. Внешний вид турбокомпрессора фирмы Holset. Т – газовая турбина, К – центробежный компрессор, Вх – вход воздуха в компрессор, Нагн. – нагнетание воздуха в двигатель.
На рис. 1.8. показана схема, разъясняющая работу агрегата. Отработавшие газы из цилиндра по трубопроводу 1 поступают к газовой турбине 3, где, благодаря их повышенной температуре, высокой скорости истечения, они производят работу и выбрасываются в атмосферу (2). Агрегат содержит корпус 4, где размещены подшипники ротора турбокомпрессора с подводом к ним и отводом масла. Воздух по патрубку 7 всасывается в компрессор, который вращается газовой турбиной 3. Компрессор 6, размещённый в корпусе (улитке) 8, сжимает воздух и подаёт его по трубопроводу 5 к впускным каналам двигателя. Когда впускные клапаны двигателя открываются, воздух поступает на зарядку цилиндров.
Рис. 1.8. Схема турбокомпрессора с разрезами. 1 – подвод газов к турбине, 2 – выпуск из турбины, 3 –турбина, 4 – корпус с подшипниками ротора турбокомпрессора, 5 – нагнетание воздуха в двигатель, 6 – компрессор, 7 – впуск в компрессор, 8 – корпус (улитка) компрессора.
На первый взгляд турбокомпрессор является довольно простой машиной. Однако если учесть, что для уменьшения габаритов инженеры всё время работают над повышением частоты вращения ротора ТК, то ясна будет ответственная роль агрегата. Сейчас достигнуты частоты вращения порядка 80000 – 120000 мин-1 , т. е. 1300 – 2000 с.-1. Напряжённость агрегата возрастает и с ростом температур отработавших газов, которые достигли и даже превысили 750 0С. Всё это повышает также требования к системе смазки и охлаждения агрегата. Для решения всех этих задач в ТК применяют всё более современные материалы.