11.2.2. Динамічний наддув
11.1. Динамічний наддув (адреса файлу Блок 4) Динамічний наддув - система, у якій підвищення тиску досягають використанням хвильових властивостей газів. |
У цій системі нагнітача як такого немає. Для підвищення наповнення використовують хвильові явища, що виникають у впускній системі внаслідок періодичного відкриття-закриття клапанів. Періодичність руху поршня і відкриття клапанів породжують у впускному трубопроводі коливання тиску газів. При відкритті впускного клапана у зоні горловини виникає хвиля розрідження, що зі швидкістю звуку поширюється до відкритого кінця трубопроводу, де впливає на повітряний потік. Внаслідок цього у вхідному перетині трубопроводу виникає хвиля тиску, що рухається до клапана. Характер коливання тиску у впускному трубопроводі (у зоні впускного клапана) має хвилеподібний вигляд. При цьому підвищений тиск у впускного клапана досягається наприкінці процесу впуску безпосередньо перед закриттям клапана. У результаті підвищується перепад між тиском у впускному трубопроводі і тиском у циліндрі, що підвищує ефект дозарядки циліндра свіжим зарядом. Існують два основних типи динамічного наддуву:
1. Резонансний наддув. При цьому підвищують амплітуду коливання тисків у впускному трубопроводі шляхом настроювання системи впуску на явище резонансу, тобто, на збіг або на кратність частот вільних і змушених коливань тиску у впускному трубопроводі. Настроювання системи здійснюється шляхом підбора діаметра і довжин впускних трубопроводів, а також установкою резонансних порожнин у багатоциліндрових двигунах (рис.11.1а). На жаль при цьому ефект поліпшення наповнення реалізується в обмеженому діапазоні частот обертання вала двигуна.
У багатоциліндрових двигунах при настроюванні системи впуску до кожного каналу від резонансної порожнини підводить окрема труба певної довжини, щоб газодинамічні явища у ній не порушувалися подібними явищами в трубопроводах сусідніх циліндрів. Оскільки тривалість такту впуску становить 180° ПКВ (для чотиритактних двигунів), то до однієї резонансної порожнини можна підключати тільки ті циліндри, у яких такти впуску чергуються не менш, ніж через 180° ПКВ.
Для настроювання таких систем на декілька режимів роботи встановлюють перемикальну заслінку (рис.11.1б), яка забезпечує велику довжину каналу на малій частоті і короткий канал – на великій частоті.
Рис.11.1. Принцип резонансного наддуву: некерованого (а) і керованого (б):
1 – резонансна камера; 2 – впускний трубопровід; 3 – дросельна заслінка; 4 – перемикальна заслінка
2. Інерційний наддув. При цьому способі використовують окремі впускні трубопроводи певної довжини (рис.11.2). Ефект наддуву залежить від геометрії елементів впускного трубопроводу і частоти обертання колінчастого вала. Довжина і діаметр окремих резонаторних трубок погоджуються з фазами газорозподілу таким чином, щоб у необхідному діапазоні обертів колінчастого вала хвиля стиску, що відбивається на кінці резонаторної трубки, повернулася через відкритий впускний клапан циліндра, тим самим забезпечуючи краще наповнення циліндра. Довгі тонкі резонаторні трубки дають більший ефект інерційного наддуву при низькій частоті обертання колінчастого вала. Короткі широкі резонаторні рубання сприяють одержанню кращої характеристики крутного моменту у діапазоні високих обертів колінчастого вала.
У двигунах з двома впускними клапанами на циліндр можливе застосування двох впускних трубопроводів різної довжини.
Для настроювання такої системи на декілька режимів роботи використовують трубопроводи з різними параметрами каналів, переключення між якими здійснюється заслінкою (рис. 11.3,11.4).
Рис.11.2. Принцип інерційного наддуву:
1 – збірна камера (ресивер); 2 – впускний канал; 3 – дросельна заслінка
Рис.11.3. Впускний трубопровід з каналами різної довжини
Рис.11.4. Переключення впускних каналів у двигуні Mercedes-Benz
Такі системи називаються системами впускного трубопроводу зі змінюваною геометрією, коли, залежно від робочого режиму двигуна, за допомогою спеціальних заслінок можна робити:
регулювання довжини резонаторних впускних трубок;
зміну довжини або діаметра резонаторних трубок;
відключення окремої впускної трубки на циліндр із системи декількох трубок;
зміну об’ємів ресиверів.
Конструктивних засобів реалізації системи досить багато.
21.
11.3. Турбонаддув (адреса файлу Блок 4) Турбонаддув - система, у якій нагнітач працює від енергії відпрацьованих газів. |
Турбонаддув передбачає використання енергії відпрацьованих газів для привода турбокомпресора, за допомогою газової турбіни. Компресор установлюють на одному валу з цією турбіною. У випадку комбінованої системи (рис.11.5) першою ступінню є приводний компресор, а другою - турбокомпресор. Двоступінчастий наддув може здійснюватися двома послідовно розташованими турбокомпресорами чи приводними компресорами.
На тракторних і автомобільних дизелях найчастіше застосовують газотурбінний наддув.
При цьому можливі два основних варіанти використання енергії:
1. Енергія, споживана компресором, дорівнює енергії, яка виробляється газовою турбіною. У цьому випадку турбокомпресор має лише газовий зв'язок із двигуном (рис.11.5б). Така схема забезпечує високі економічні показники при максимальному спрощенні конструкції і тому найбільш поширена. У таких двигунах утилизується енергія відпрацьованих газів, що дозволяє в деяких випадках навіть підвищити ККД двигуна.
2. Енергія, яка виробляється газовою турбіною, не дорівнює енергії, яку споживає компресор. Різниця енергії передається від двигуна до турбокомпресора за рахунок застосування механічного зв'язку ротора турбокомпресора з колінчастим валом двигуна, що ускладнює конструкцію останнього. Іноді в цих випадках замість механічного зв'язку ротора турбокомпресора з колінчастим валом застосовують комбіновану систему наддуву.
Механічний зв'язок застосовують і у випадках, коли необхідно передавати надлишкову енергію від газової турбіни до двигуна при високих тисках наддуву і температурах газів перед турбіною.
Наддув вважається низьким, якщо в компресорі к<1.9. Низький наддув дозволяє підвищити потужність двигунів на 20-25%. При середньому наддуві (к = 1.9-2.5) вдається підвищити її на 25-50%. Високий наддув (к > 2.5) ще більше збільшує потужність, однак його застосування найчастіше не виправдане внаслідок значного росту механічної, теплової напруженості деталей і вузлів.
Турбіна може бути доцентровою (рис.11.13) і осьовою (рис.11.14). Обертання турбіни приводить у дію компресор. Частота обертання досягає 200000 хв-1.
Рисунок 11.13. Турбокомпресор у розрізі
(кольором показано розподіл температур при роботі)
Рис.11.14. Вал турбокомпресора з осьовою турбіною (MAN B&W)
Недоліком турбокомпресорів є їх повільна реакція на різкі прискорення – „провал” або „турбояма”. Тому масу деталей ротора намагаються зменшити до мінімуму.
Можливі два варіанти підведення газів до газової турбіни (див. рис.11.15):
1) із загального випускного трубопроводу;
2) окремо від кожного циліндра чи від групи циліндрів, у якій відповідно до порядку їхньої роботи час між двома послідовними імпульсами тиску, що утворяться при випуску газів з циліндрів, виявляється досить великим (імпульсний наддув).
У першому випадку, особливо в двигунах з великим числом циліндрів і високою частотою обертання, тиск газів у випускному трубопроводі вирівнюється, амплітуда коливання тиску перед турбіною невелика і процес підведення газів до турбіни можна розглядати як той, який відбувається при постійному тиску. В другому випадку відпрацьовані гази надходять до газової турбіни з перемінним тиском, що дозволяє за певних умов підвищити ефективність наддуву.
Підведення газів до турбіни при постійному тиску створює підвищені опори у випускному тракті двигуна в порівнянні з випуском в атмосферу. Це погіршує очищення циліндрів і зменшує наповнення їх свіжим зарядом.
При імпульсному наддуві після періоду випуску газів з одного циліндра до початку перекриття клапанів тиск у випускному тракті різко знижується. У результаті цього збільшується перепад тиску між впускним і випускним трактами й очищення камер згоряння стає більш ефективним. Зменшується робота, що затрачена на виштовхування газів. В міру збільшення тиску наддуву і росту середнього тиску газів у випускному тракті позитивний ефект від застосування імпульсного наддуву знижується, тому що імпульси тиску згладжуються. Максимальний ефект в імпульсній системі наддуву досягається при pк < 0.15 МПа, при pк < 0.4 МПа застосування імпульсного наддуву вже не дає ефекту. Для досягнення найбільшого ефекту при імпульсному наддуві випускні трубопроводи роблять по можливості короткими і меншого об'єму. В імпульсних системах використовується кінетична енергія відпрацьованих газів, однак, погіршується очищення циліндрів двигуна від відпрацьованих газів, що є загальним недоліком усіх систем газотурбінного наддуву.
В автотракторних дизелях при числі циліндрів 8 і більш переважно застосовуються системи з постійним тиском перед турбіною. ККД таких турбін вище, ніж імпульсних, а система випуску виходить більш простою.
Слід зазначити також меншу (у порівнянні з двигунами без наддуву) пристосовність і гірші пускові властивості двигунів з наддувом.
Рис.11.15. Наддув з постійним тиском (а) та імпульсний (б)
Турбокомпресори мають забезпечувати високий крутний момент вже на малих обертах, тому на високій частоті для запобігання перевантаження тиск треба регулювати. Для цього використовують чотири способи:
- з регулюванням перепуску повітря. Його використовують рідко, в основному у гоночних автомобілях. Тиск наддуву обмежують або заслінками перед чи після компресора, або клапаном.
- з перепуском відпрацьованих газів (рис.11.16.). При цьому частина потоку відпрацьованих газів через перепускний (байпасний) клапан (рис.14.17) спрямовується у обхід турбіни.
Рис.11.16. Турбокомпресор з перепуском відпрацьованих газів (схема та фотографія):
1 – перепускний клапан; 2 – виконавчий механізм; 3 – електропневматичний перетворювач тиску наддуву; 4 – вакуумний насос
Рис.11.17. Перепускний (байпасний) клапан:
1 – мембрана; 2 – клапан; А – камера атмосферного тиску; Б – камера керівного тиску
- з дроселюванням турбіни (рис.11.19). На малих частотах відкрито один підвідний канал, при цьому завдяки малому перетину каналу збільшується швидкість газів і частота обертання вала турбокомпресора. При збільшенні частоти відкривається керівна заслінка, збільшуючи перетин каналу і тим самим зменшуючи частоту обертання вала і тиск наддуву.
Рис.11.18. Турбокомпресор з дроселюванням турбіни:
а – відкрито один підвідний канал; б – відкрито два підвідних канали;
1 – турбіна; 2,3 – підвідні канали; 4 – керівна заслінка; 5 – перепускний канал; 6 – тяга керування
- зі змінною геометрією турбіни (рис.11.19). Рухомі напрямні лопатки соплового апарату змінюють поперечний перетин каналів, через які гази рухаються на крильчатку турбіни. При збільшенні частоти ДВЗ лопатки збільшують перетин. Поворот здійснюється керівним кільцем за допомогою пневмоциліндра.
Рис.11.19. Турбокомпресор зі змінною геометрією турбіни: принцип роботи (а) та конструктивне виконання (б):
1 – турбіна; 2 – керівне кільце; 3 – рухомі напрямні лопатки соплового апарату; 4 – керівний важіль; 5 – пневмоциліндр
Багатоступеневий наддув (рис.11.20). Дозволяє значно розширити діапазон потужності ДВЗ за рахунок послідовного встановлення декількох (частіше за все двох – TwinTurbo) турбокомпресорів. При цьому у залежності від режиму або потік газів проходить лише крізь ступінь високого тиску, або частина потоку крізь перепускну магістраль йде у ступінь низького тиску. Терміном „TwinTurbo” (BiTurbo) також позначують систему з двома паралельними турбокомпресорами (у V-подібних ДВЗ).
Рис.11.20. Багатоступеневий наддув:
1 – ступінь низького тиску (турбокомпресор з охолодником повітря); 2 – ступінь високого тиску (турбокомпресор з охолодником повітря); 3 – впускний колектор; 4 – випускний колектор; 5 – перепускний клапан; 6 – перепускна магістраль