Архив WinRAR_1 / 2 - Двигатели / 39 - системы наддува

Системы наддува ДВС

Назначение систем наддува ДВС – повышение массового наполнения цилиндров двигателя свежим зарядом. Достигается это обычно с помощью специальных устройств или агрегатов наддува. Двигатели с такими системами называются комбинированными. Системы наддува весьма разнообразны по принципу действия и, соответственно, по признакам классификации.

В комбинированных ДВС воздух или горючая смесь перед поступлением в цилиндры сжимается в компрессорах. Наддув считается низким, если в компрессоре _к < 1.9. Низкий наддув позволяет повысить мощность двигателей на 20-25%. При среднем наддуве (_к = 1.9-2.5) удается повысить ее на 25-50%. Высокий наддув (_к > 2.5) еще больше увеличивает мощность, однако его применение зачастую не оправдано вследствие значительного роста механической, тепловой напряженности деталей и узлов.

Наддув цилиндров двигателей может быть либо динамическим, либо осуществляемым с помощью специального нагнетателя (компрессора). В современных ДВС для наддува используются как объемные (роторно-шестеренчатые, винтовые, поршневые), так и лопаточные центробежные компрессоры. Газовые турбины чаще всего бывают радиально-осевыми, реже - осевыми.

Различают три системы наддува с помощью нагнетателей: с приводным компрессором, с турбокомпрессором и комбинированную (рис.11.1).

1 2 3

Рис.11.1. Схемы систем наддува ДВС

В первой схеме приводной компрессор через повышающую передачу соединяют с коленчатым валом двигателя. Для привода турбокомпрессора (схема 2) используют энергию отработавших газов, поступающих в газовую турбину. Компрессор устанавливают на одном валу с газовой турбиной. В случае комбинированной системы (схема 3) первой ступенью является приводной компрессор, а второй - турбокомпрессор. Двухступенчатый наддув может осуществляться двумя последовательно расположенными турбокомпрессорами или приводными компрессорами.

На тракторных и автомобильных дизелях чаще всего применяют газотурбинный наддув.

При этом возможны два основных варианта использования энергии:

1. Энергия, потребляемая компрессором, равна энергии, вырабатываемой газовой турбиной. В этом случае турбокомпрессор имеет лишь газовую связь с двигателем (рис.11.1.2). Такая схема обеспечивает высокие экономические показатели при максимальном упрощении конструкции и поэтому наиболее распространена. В таких двигателях утилизируется энергия отработанных газов, что позволяет в некоторых случаях даже повысить КПД двигателя.

2. Энергия, вырабатываемая газовой турбиной, не равна энергии, потребляемой компрессором. Разница энергии передается от двигателя к турбокомпрессору за счет применения механической связи ротора турбокомпрессора с коленчатым валом двигателя, что усложняет конструкцию последнего. Иногда в этих случаях вместо механической связи ротора турбокомпрессора с коленчатым валом применяют комбинированную систему наддува.

Механическую связь применяют и в случаях, когда необходимо передавать избыточную энергию от газовой турбины к двигателю при высоких давлениях наддува и температурах газов перед турбиной.

Возможны два варианта подвода газов к газовой турбине:

1) из общего выпускного трубопровода;

2) отдельно от каждого цилиндра или от группы цилиндров, в которой в соответствии с порядком их работы время между двумя последовательными импульсами давления, образующимися при выпуске газов из цилиндров, оказывается достаточно большим (импульсный наддув).

В первом случае, особенно в двигателях, с большим числом цилиндров и высокой частотой вращения, давление газов в выпускном трубопроводе выравнивается, амплитуда колебания давления перед турбиной невелика и процесс подвода газов к турбине можно рассматривать как происходящий при постоянном давлении. Во втором случае отработавшие газы поступают к газовой турбине с переменным давлением, что позволяет при определенных условиях повысить эффективность наддува.

Подвод газов к турбине при постоянном давлении создает повышенные сопротивления в выпускном тракте двигателя по сравнению с выпуском в атмосферу. Это ухудшает очистку цилиндров и уменьшает наполнение их свежим зарядом.

При импульсном наддуве после периода выпуска газов из одного цилиндра к началу перекрытия клапанов давление в выпускном тракте резко снижается. В результате этого увеличивается перепад давления между впускным и выпускным трактами и очистка камер сгорания становится более эффективной. Уменьшается работа, затрачиваемая на выталкивание газов. По мере увеличения давления наддува и роста среднего давления газов в выпускном тракте положительный эффект от применения импульсного наддува снижается, так как импульсы давления сглаживаются. Максимальный эффект в импульсной системе наддува достигается при p_к < 0.15 МПа, при p_к < 0.4 МПа применение импульсного наддува уже не дает эффекта. Для достижения наибольшего эффекта при импульсном наддуве выпускные трубопроводы делают по возможности короткими и меньшего объема. В импульсных системах используется кинетическая энергия отработавших газов, однако, ухудшается очистка цилиндров двигателя от отработавших газов, что является общим недостатком всех систем газотурбинного наддува.

В автотракторных дизелях при числе цилиндров 8 и более преимущественно применяются системы с постоянным давлением перед турбиной. КПД таких турбин выше, чем импульсных, а система выпуска получается более простой.

Следует отметить также меньшую (по сравнению с двигателями без наддува) приспособляемость и худшие пусковые свойства двигателей с наддувом.

Охладители воздуха

При наддуве температура воздуха за компрессором повышается, поэтому при среднем и высоком наддуве осуществляют промежуточное охлаждение воздуха между компрессором и впускным трубопроводом двигателя. Это способствует улучшению массового наполнения цилиндров, повышению мощности и топливной экономичности двигателя, снижению тепловой напряженности его деталей, уменьшению температуры газов перед турбиной.

Воздух можно охлаждать специальными охладителями либо посредством испарительного охлаждения - впрыскивания в воздух легко испаряющихся веществ (спирта, аммиака, воды и др.). Применяют два типа охладителей: воздухо-воздушные и водо-воздушные. Применяют как трубчатые, так и пластинчатые охладители.

Воздухо-воздушный охладитель устанавливают перед масляным и водяным радиаторами двигателя. Просасывание атмосферного воздуха через охладитель осуществляют вентилятором системы охлаждения двигателя. Охлаждаемый воздух движется внутри латунных трубок сердцевины охладителя, аналогичной той, которую применяют обычно в радиаторах системы охлаждения.

При водо-воздушном охлаждении вода с помощью насоса (специального либо имеющегося в системе охлаждения двигателя) циркулирует через охладитель и радиатор.

Хотя теплообмен между охлаждаемым воздухом и охлаждающей жидкостью при прочих равных условиях происходит более интенсивно, чем между охлаждаемым и охлаждающим воздухом, в целом воздухо-воздушные охладители более эффективны, чем водо-воздушные, из-за большего перепада температуры между воздухом и охлаждающим агентом.