При сжатии воздуха в компрессорах его температура повышается, а плотность снижается. При высоких давлениях наддува требуется охлаждение воздуха, что увеличивает его плотность и массовое наполнение, снижает тепловую напряженность двигателя, увеличивает экономичность. При снижении температуры воздуха при наддуве на 10 оС мощность двигателя возрастает на 2–3%, а расход топлива снижается на 1%. Обычно нагретый воздух после компрессора охлаждают в теплообменных аппаратах (воздух – воздух, воздух – вода, воздух – топливо) [32].
8.2. Устройство агрегатов наддува
Рассмотрим современные конструкции агрегатов наддува.
На рис. 8.7 приведена конструкция роторного нагнетателя типа
Рутс. В нем порции воздуха проталкиваются лопастями роторов к впускному коллектору. Вал нагнетателя жестко связан с коленчатым валом двигателя [33].
|
|
|
|
И |
|
|
|
Д |
|
|
|
А |
|
|
|
б |
|
|
|
и |
|
|
|
|
С |
|
|
|
|
Рис. 8.7. Механический нагнетатель типа Рутс: 1 – корпус; 2 – вращающийся ротор
Как правило, механические нагнетатели приводятся во вращательное движение от коленчатого вала ремнем или шестеренной передачей. Преимущество – жёсткая связь с коленчатым валом двигателя, недостаток – работает за счёт мощности двигателя, снижая его КПД.
138
Механические нагнетатели целесообразно применять на двигателях малой мощности. На рис. 8.8 представлена компоновка механического нагнетателя на двигателе.
АДИ Рис. 8.8. Компоновка механического нагнетателя на двигателе
Упрощенная схема агрегатабнаддува с газовой связью (динамического типа) приведенаина рис. 8.9. Отработавшие газы двигателя, обладая энергией скорости, энерг ей давления, теплой (внутренней) энергией, поступаютСв ул тку турб ны, а из нее в радиальном (по радиусу) направлении поступают на кр волинейные лопатки колеса турбины. Газы обтекают криволинейные лопатки, изменяют направление движения, приводят во вращение колесо и выходят в осевом направлении. Такие турбины называют радиально-осевыми. В них наиболее полно срабатывается энергия отработавших газов.
На одном валу с турбиной жестко закреплено колесо компрессора. Турбина приводит колесо компрессора во вращательное движение. Колесо имеет криволинейные лопатки, которые захватывают частицы воздуха, увлекая их во вращательное движение. Под действием центробежной силы молекулы воздуха отбрасываются от центра колеса на периферию (окраину), приобретая кинетическую энергию (энергию скорости). В расширяющихся каналах (диффузорах, улитке) кинетическая энергия преобразуется в энергию давления (молекулы воздуха сближаются). На выходе из компрессора давление воздуха
139
становится выше атмосферного, что обеспечивает наддув двигателя. В цилиндры двигателя поступает больше воздуха, что позволяет увеличить подачу топлива и повысить мощность двигателя.
Рис. 8.9. Общая схемаДтурбокомпрессораИ с радиально-осевой турбиной (ТКР)
с выпускным коллектором и автоматическимА регулированием давления воздуха в центробежномикомпрессоре.
На рис. 8.10 показанбтурбокомпрессор, выполненный совместно
С
Рис. 8.10. Турбокомпрессор, выполненный совместно с выпускным коллектором
140
На рис. 8.11 показана конструкция турбокомпрессора с перепуском части отработавших газов мимо турбины. Данный способ автоматического регулирования турбины позволяет перепускать часть отработавших газов, минуя колесо турбины. Отвод части энергии снижает (ограничивает) максимальные частоты вращения колеса турбины и давление воздуха на выходе из компрессора.
|
|
|
|
И |
|
|
|
Д |
|
|
|
А |
|
|
|
б |
|
|
|
и |
|
|
|
|
С |
|
|
|
|
Рис. 8.11. Турбокомпрессор с системой перепуска части отработавших газов мимо турбины
На рис. 8.12 показан общий вид турбокомпрессора. В разрезе видим колесо компрессора (с левой стороны) и турбины (с правой стороны).
141
|
|
И |
|
Д |
|
А |
|
|
б |
|
|
С |
|
|
Р с. 8.12. Турбокомпрессор: |
||
1 – корпусикомпрессора; 2 – вал ротора; 3 – корпус турбины; 4 – колесо турбины; 5 – уплотнения; 6 – подшипники скольжения; 7 – корпус подшипников;
8 – колесо компрессора
Принципиальная схема турбины с изменяемой геометрией показана на рис. 8.13. Лопатки 4 и 5 могут поворачиваться при помощи кулачка 3 или подвижного кольца 2. Газ (А) входит в улитку турбины, плавно изменяя направление движения, и радиально поступает на лопатки колеса (Б). Газы обтекают лопатки колеса, отдают им свою энергию (кинетическая энергия переходит в энергию давления), приводя колесо во вращательное движение. От колеса газы выходят в осевом направлении, такие турбины называют радиально-осевыми.
На рис. 8.14 показан турбокомпрессор с электронным блоком управления. Исполнительный механизм электронного блока повора-
142
чивает лопатки соплового аппарата, изменяя угол входа газа на лопатки турбины, и соответственно частоту вращения колеса.
Рис. 8.13. Турбина с изменяемой |
Рис. 8.14. Турбокомпрессор |
геометрией соплового аппарата |
с электронным блоком управления |
(поворот лопаток) |
И |
|
|
|
Д |
На рис. 8.15 приведена система наддува двигателя, оборудован- |
|
ного двумя турбокомпрессорамибА. В зависимости от положения клапана (клапан закрыти), расположенного в выпускном коллекторе, отработавшие газы направляются последовательно в первую и вторую турбины (схемаСА). При открытом клапане (схема В) газы параллельно движутся к турб нам. При малых частотах вращения коленчатого вала двигателя (движение машины с места) работает в основном один турбокомпрессор высокого давления. С увеличением частоты вращения коленчатого вала двигателя открывается клапан и вступает в работу второй турбокомпрессор. Последовательная и параллельная работа турбокомпрессоров позволяют для разных скоростных и нагрузочных режимов обеспечивать оптимальную подачу воздуха с учётом поступающего в цилиндры количества топлива.
143
Схема наддува с двумя последовательными турбокомпрессора-
ми – это редкость в мире автомобильных двигателей (рис. 8.16).
Рис. 8.15. Схема наддува двигателя с двумяИтурбокомпрессорами: А – последовательное включениеД; В – параллельное включение
Раньше такой битурбонаддув применяли на двигателях фирмы Maserati, а нынче «двойной последовательныйб » наддув серийно применяет
BMW, да и то на дизельных двигателяхА. Концерн Volkswagen предлагает новую схему – ина Франкфуртском автосалоне демонстрировался первый в мире бенз новый мотор 1,4 FSI Twin-charger, в конст рукции которого Собъед нены непосредственный впрыск и соединенные последовательно турбокомпрессор и механический нагнетатель.
Идея такова. На малых оборотах наддув обеспечивает роторный компрессор типа Roots с приводом от коленчатого вала двигателя [30]. Агрегат, разработанный совместно с инженерами фирмы Eaton, уже при частоте вращения 1500 мин-1 развивает максимальное давление в 0,25 МПа. При частоте вращения более 2400 мин-1 к компрессору подключается турбокомпрессор, который после частоты 3500 мин-1 работает в одиночку. В итоге двигатель рабочим объемом
всего 1,4 л развивает мощность 140 кВт и крутящий момент 240 Н м – как «атмосферник» с рабочим объемом 2,3 л. Данная схема наддува на всех режимах работы двигателя обеспечивает требуемое количество воздуха, необходимое для полного сгорания топлива.
144