2556

Системы подачи топлива и воздуха дизелей: учебное пособие

Турбины по конструктивному исполнению могут быть изобарными и импульсными. У импульсной турбины энергия газов в 1,3 раза больше, чем у изобарной, однако КПД на 10 – 15% ниже. Опыт эксплуатации турбин показывает, что при работе двигателя на основном номинальном режиме предпочтительнее изобарная турбина, а на режиме максимального крутящего момента – импульсная.

К входу турбины газ может подводиться изобарно (при постоянном давлении) и импульсно (лат. – удар, толчок). При изобарной системе выпускные патрубки всех цилиндров объединяются в общий коллектор и импульсы давления выравниваются. Изобарная система рекомендуется для двигателей, которые основное время работают на номинальном режиме (максимальная частота вращения вала и мощность двигателя). Данная система имеет простую конструкцию выпускного коллектора. Лопатки турбины работают при меньших колебаниях, и их надежность, долговечность увеличиваются. Более равномерное распределение воздуха независимо от числа цилиндров. К недостаткам следует отнести следующее:

1.При малых нагрузках имеет место обратный поток газов (давление газов в турбине больше давления воздуха на выходе из компрессора).

2.Двигатель обладает худшей приемистостью (способность быстро набирать скорость) по сравнению с импульсной турбиной.

Для двигателей, работающих основное время на режиме максимального крутящего момента (средние частоты вращения вала двигателя), целесообразно применять импульсные турбины. Для этой цели разделяют выпускные трубопроводы так, чтобы импульсы давления не смешивались.

На рис. 8.5 показан пример разделения выпускных трубопроводов для рядных и V- образных двигателей.

Более подробно рассмотрим методику создания системы импульсно-

го наддува на примере двигателя 4ЧН 13/14 мощностью 80 кВт при частоте вращения 1750 мин-1. Анализ фаз (греч. – появление) газораспределения показывает (рис. 8.6), что период выпуска составляет 2800. Между 1 и

4, а также 2 и 3 цилиндрами процесс выпуска отработавших газов составляет 3600 (см. табл. на рис. 8.6). Если объединить 1 и 4 выпускные патрубки 1 и 4 цилиндров, а также 2 и 3 цилиндров, то импульсы давления, создаваемые на выпуске, без изменения дойдут до турбины. На рис. 8.6 показаны импульсы волны давления на выпуске 1 и 4 цилиндров (Рвып)

[37].До периода продувки величина давления выпускных газов Рвып превышает значение давления наддува Рк. Но когда впускной и выпускной клапаны открыты (период продувки), то Рк становится больше Рвып. Продувка цилиндров от остаточных газов под действием перепада давления

~130 ~

Раздел второй. Системы подачи воздуха дизелей

становится более эффективной. Уменьшается работа на выталкивание отработавших газов.

Для эффективной работы системы наддува с импульсной турбиной необходимо в момент перекрытия клапанов (впускной и выпускной клапаны открыты), лучшей продувки, меньшей затраты энергии должно соблюдаться условие Рк > Рвып . До периода продувки давление выпускных газов должно быть больше давления наддува Рвып > Рк. При этом подводится к турбине больше энергии выпускными газами. Это важно при работе двигателя на средних частотах (режим максимального крутящего момента).

Рис. 8.5. Примеры разделения выпускных трубопроводов и объединения их в группы при импульсной системе наддува

~131 ~

Системы подачи топлива и воздуха дизелей: учебное пособие

Рис. 8.6. Разделение цилиндров двигателя 4ЧН 13/14 и изменение давления на выпуске

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,

~132 ~

Раздел второй. Системы подачи воздуха дизелей

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].

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. Механические нагнетатели целесообразно применять на двигателях малой мощности. На рис. 8.8 представлена компоновка механического нагнетателя на двигателе.

~133 ~

Системы подачи топлива и воздуха дизелей: учебное пособие

Рис. 8.8. Компоновка на двигателе механического нагнетателя

Упрощенная схема агрегата наддува с газовой связью (динамического типа) приведена на рис. 8.9. Отработавшие газы двигателя, обладая энергией скорости, энергией давления, теплой (внутренней) энергией, поступают в улитку турбины, а из нее в радиальном (по радиусу) направлении поступают на криволинейные лопатки колеса турбины. Газы обтекают криволинейные лопатки, изменяют направление движения, приводят во вращение колесо и выходят в осевом направлении. Такие турбины называют радиальноосевыми. В них наиболее полно срабатывается энергия отработавших газов.

Рис. 8.9. Общая схема турбокомпрессора с радиально-осевой турбиной (ТКР)

~134 ~

Системы подачи топлива и воздуха дизелей: учебное пособие

На рис. 8.12 показан общий вид турбокомпрессора. В разрезе видим колесо компрессора (с левой стороны) и турбины (с правой стороны).

Рис. 8.12. Турбокомпрессор:

1 – корпус компрессора; 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.

~136 ~

Раздел второй. Системы подачи воздуха дизелей

На рис. 8.14 показан турбокомпрессор с электронным блоком управления. Исполнительный механизм электронного блока поворачивает лопатки соплового аппарата, изменяя угол входа газа на лопатки турбины, и соответственно частоту вращения колеса.

На рис. 8.15 приведена система наддува двигателя, оборудованного двумя турбокомпрессорами. В зависимости от положения клапана (клапан закрыт), расположенного в выпускном коллекторе, отработавшие газы направляются последовательно в первую и вторую турбины (схема а). При открытом клапане (схема б) газы параллельно движутся к турбинам. 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.

~137 ~

Системы подачи топлива и воздуха дизелей: учебное пособие

Рис. 8.15. Схема наддува двигателя с двумя турбокомпрессорами: а – последовательное включение; б – параллельное включение

Схема наддува с двумя последовательными турбокомпрессорами – это редкость в мире автомобильных двигателей (рис. 8.16). Раньше такой битурбонаддув применяли на двигателях фирмы Maserati, а нынче «двойной последовательный» наддув серийно применяет BMW, да и то на дизельных двигателях. Концерн Volkswagen предлагает новую схему – на Франкфуртском автосалоне демонстрировался первый в мире бензиновый мотор 1,4 FSI Twin-charger, в конструкции которого объединены 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 объёмом всего 1,4 л развивает мощность 140 кВт и крутящий момент 240 Н м как «атмосферник» с рабочим объёмом 2,3 л.

~138 ~

Раздел второй. Системы подачи воздуха дизелей

Рис. 8.16. Двойная система подачи воздуха с механическим и газотурбинным наддувом

Данная схема наддува на всех режимах работы двигателя обеспечивает требуемое количество воздуха, необходимое для полного сгорания топлива.

Контрольные вопросы и задания

1.С какой целью применяется наддув воздуха в цилиндры двигателя?

2.Как устроен компрессор объемного и центробежного типа?

3.Укажите преимущества и недостатки механического, газотурбинного, комбинированного наддува.

4.В чем заключается особенность системы наддува типа Гипербар?

5.Как конструктивно выполняют коллектор выпускных газов для создания системы импульсного наддува?

6.Какие вы знаете системы автоматического регулирования давления воздуха на выходе из компрессора?

7.Как работает двойная система подачи воздуха с механическим и газотурбинным наддувом?

8.Укажите конструктивные особенности системы наддува двигателя с двумя турбокомпрессорами, работающими последовательно и параллельно.

~139 ~