«Компрекс»

«Компрекс» – наиболее совершенный волновой обменник среди существующих сегодня. «Компрекс» – это система, которая объединяет энергию отработавших газов и механический привод от коленчатого вала двигателя. Такая система позволяет использовать энергию отработавших газов двигателя для сжатия поступающего в цилиндры воздуха при их непосредственном контакте. КПД волновых обменников давления достигает 75%, а степень повышения давления – 2,1.

« Компрекс» обеспечивает двигателю высокую приёмистость. С данной системой возможно повышение крутящего момента на величину до 70% (до 40% без промежуточного охладителя) в сравнении с моментом двигателя без наддува. При применении в легковых автомобилях, система «Компрекс» обеспечивает плавно изменяющееся давление наддува с изменением частоты вращения. Дополнительное достоинство – повышение экологичности дизельного двигателя.

В то же время системе присущи и определённые недостатки, препятствующие её широкому распространению. Прежде всего, это большие габариты и высокая стоимость. В сравнении с объёмными компрессорами, размещение «Компрекс» на двигателе так же сложно из-за необходимости связи с валом двигателя.

Газотурбинный наддув.

Приводной нагнетатель в сравнении с турбокомпрессором имеет ряд недостатков, который не даёт возможность устанавливаться на двигателях чаще компрессоров с приводом от газовой турбины.

Важнейшим недостатком является то, что для привода компрессора требуется затратить часть мощности самого двигателя. В этом случае энергия отработавших газов бесполезно выбрасывается в атмосферу, в отличие от случая использования турбокомпрессора. Двигатель с турбокомпрессором всегда будет иметь более высокий КПД, в частности благодаря использованию части энергии отработавших газов. Этот факт менее ощутим в бензиновых двигателях благодаря сравнительно низкому уровню применяемого в них наддува и особенностям дроссельного регулирования их мощности. Важным показателем нагнетателя является его габариты. Благодаря высокой частоте вращения, достигнутой у турбокомпрессоров, их габариты чрезвычайно уменьшились по сравнению с габаритами объёмных нагнетателей, как и к массам нагнетателей.

Именно по этим причинам наибольшее распространение в практике современного двигателестроения получил турбокомпрессор.

Турбокомпрессор (ТКР) – это отдельный агрегат, который состоит из компрессора и газовой турбины, которые механически связанные между собой (Рис.1.). Одна часть ТКР связана с выпускной системой двигателя и приводится в движение энергией отработавших газов (ОГ) двигателя – это турбина. Вторая часть связана с впускной системой, приводится энергией турбины и служит для подачи воздуха в цилиндры под давлением. Частота вращения турбокомпрессора достигает 150 000 мин^-1.Главная задача турбокомпрессора – принудительная подача сжатого воздуха в цилиндры двигателя за счет использования энергии отработавших газов. Тем самым обеспечивается полнота сгорания увеличенной доли топлива, что позволяет при прежнем рабочем объеме и тех же оборотах двигателя получать большую мощность.

Рис. 1. Турбокомпрессор:

1 – корпус турбины, 2 – рабочее колесо турбины, 3 – вал ротора, 4 – корпус подшипникового узла, 6 –– диффузор компрессора, 7 – рабочее колесо компрессора, 8 – корпус компрессора, 9 – подшипники.

Принцип работы ТКР

О тработавшие газы поступают из цилиндров двигателя в корпус турбины 1 через выпускной коллектор. Там ОГ воздействует на лопаточное колесо турбины 2, заставляя вращаться его с большой скоростью. Колесо турбины передаёт вращение колесу компрессора 7, с которым жёстко связано валом (ротором) 3. Воздух через впускной патрубок компрессора поступает на колесо компрессора, где под действием центробежных сил он отбрасывается на стенку корпуса компрессора (через диффузор 6). В корпусе скорость воздуха уменьшается, а давление растёт. Далее воздух направляется в двигатель. Вал ротора находится в подшипниковом корпусе 4, который соединяет корпус компрессора 8 и турбины 1. Чтобы работа компрессора была достаточно долгой, вал вращается на подшипниках 9, к которым подаётся масло.

М ежду двигателем и турбокомпрессором не существует жёсткой связи, как в приводных нагнетателях. Частота вращения турбокомпрессора напрямую не зависит от числа оборотов двигателя и характеризуется некоторой инерционностью, т.е. сначала увеличивается подача топлива, увеличивается энергия потоков отработавших газов, а затем уже увеличиваются обороты турбины и нагнетаемое давление поступает в цилиндры двигателя.

Корпус и материалы ТКР

К орпус турбины и компрессора сделаны специальной формой в виде «улитки». В корпусе есть два отверстия, которые являются входом и выходом, причём у турбины и компрессора они разные. В турбине из выпускного коллектора ОГ попадают в турбокомпрессор через боковое отверстие. Газы проходят по внутреннему каналу турбины. Этот канал постепенно сужается, и газы, проходя через него, ускоряются и попадают к колесу турбины и приводят его во вращение. Сделано так, чтобы использовать максимальное количество энергии отработавших газов. Скорость вращения турбины зависит от формы и размера канала. Форма корпуса компрессора такая же, как и у турбины, но направление движения там обратное. Воздух через центральное отверстие поступает в колесо компрессора, где под действием центробежных сил его скорость резко увеличивается и выходит из колеса компрессора в диффузор. В диффузоре скорость воздуха уменьшается, а давление растёт. Благодаря этому воздух сжимается и через впускной коллектор попадает в двигатель. Размеры компрессора зависят от количества воздуха, необходимого для двигателя.

Корпус ротора турбокомпрессора (картридж) образует его центральную часть, расположенную между турбиной и компрессором. Ротор вращается в подшипниках скольжения. Моторное масло по каналам проходит между корпусом и подшипниками, а также между подшипниками и ротором.

Любая конструкция картриджа подразумевает также необходимость максимального снижения теплообмена между турбиной и компрессором. С этой целью со стороны турбины устанавливается термоизоляционная прокладка.

Направляющий аппарат турбины может быть выполнен лопаточным или безлопаточным. Установка лопаток в направляющем аппарате повышает экономичность и КПД турбины.

Корпус компрессора изготавливается из алюминия. Корпус подшипникового узла изготовляется из алюминиевого сплава или чугуна. Алюминиевый корпус легче, а чугунный прочнее. Кроме того, поскольку коэффициент теплопроводности чугуна значительно меньше, чем алюминия, при использовании чугунного корпуса уменьшается тепловой поток, передаваемый от турбины к компрессору. Это несколько снижает температуру и повышает плотность сжимаемого воздуха. Колеса компрессоров и турбины отливаются по выплавляемым моделям. Материалом для колёс компрессоров служит алюминиевый сплав, а турбин — жаропрочный сплав на никелевой основе.

С уменьшением размеров турбины и компрессора общая величина современных турбокомпрессоров также уменьшается. При этом турбина располагается все ближе к компрессору.

Колёса ТКР

Л опатки компрессора могут быть загнуты назад по отношению к направлению вращения колеса. Это приводит к повышению КПД компрессора, однако снижает его «напор», что компенсируется увеличением частоты вращения ротора. Колесо турбины жестко соединяется с ротором методом сварки трением, а колесо компрессора крепится на роторе гайкой с левой резьбой.

Коэффициент полезного действия

Увеличение КПД ТКР приводит к повышению мощности и экономичности двигателя. Это объясняется, во-первых, тем, что с повышением КПД турбины располагаемая энергия газа более полно превращается во вращательное движение колеса турбины, что приводит к увеличению частоты вращения ротора и росту давления наддува. К повышению давления наддува приводит также увеличение КПД компрессора. В результате повышается плотность наддувочного воздуха, увеличивается коэффициент избытка воздуха. Во-вторых, при повышенном КПД ТКР, при неизменном давлении наддува, требуется затратить меньшую работу выталкивания на привод турбины. При неизменной работе выталкивания будет получено большее давление наддува. В результате в обоих случаях улучшается баланс работ наполнения – выталкивания, что приводит к снижению потерь при газообмене и, как следствие, к повышению механического КПД двигателя.

Способы подвода газа к турбине

В выпускных коллекторах двигателя без их специального расчёта возможно появление хаотичных (беспорядочных) волн давления, что приводит к неравномерности работы газовой турбины и снижению КПД всего ТКР. В процессе решения этой проблемы появилось три принципа наддува.

И зобарная система (при постоянном давлении). В изобарной системе газы из цилиндров выходят в один общий выпускной коллектор большого объема, в котором пульсации давления в значительной степени сглаживаются. При расширении газов, вытекающих из цилиндра в этот объем, часть располагаемой работы теряется, способствуя повышению внутренней энергии. Изобарные системы более эффективны на больших частотах вращения и при больших давлениях в выпускном коллекторе (при высокой степени форсирования турбонаддувом), когда пульсации давления сглаживаются.

И мпульсная система. Чаще других используется на автомобильных ДВС. Принцип работы основан на использовании энергии волн давления ОГ. Здесь газы подводятся к турбине от нескольких групп цилиндров, объединенных общим участком трубопровода, при этом обычно используют турбину с парциальным (лопаточный направляющий аппарат турбины) подводом газа. Во время работы в выпускном коллекторе создаются пульсации давления, обеспечивающие разрежение в камере сгорания, создавая низкий уровень противодавления в ходе такта выпуска из каждого цилиндра, что уменьшает работу выталкивания.

При импульсном наддуве несколько снижается КПД турбины. Поступая в турбину, меняется угол входа потока газа на лопатки рабочего колеса. КПД снижается за счет перетекания газа между секторами турбины с парциальным подводом газа, поскольку давление в них различно и постоянно меняется в течение цикла.

Импульсные системы более эффективны при малых частотах вращения и сравнительно низких давлениях в выпускном коллекторе.

Система с преобразователями импульсов. Система с преобразователями импульсов является промежуточной и сочетает выгоды от пульсаций давления в выпускном коллекторе (уменьшение работы выталкивания и улучшение продувки цилиндра) с выигрышем от уменьшения пульсаций давления перед турбиной, что повышает ее КПД.

Регулирование ТКР

Так как частота вращения турбокомпрессора напрямую не зависит от числа оборотов двигателя и характеризуется некоторой инерционностью, для улучшения параметров мощности и динамики, давление наддува необходимо регулировать.

Регулирование наддува может осуществляться различными способами, каждый из которых имеет свои преимущества и недостатки. Все основные способы регулирования наддува можно поделить на внешнее и внутреннее регулирование.

Внешнее регулирование. Регулирование осуществляется вне ТКР.

Н аиболее распространённым способом представляется перепуск части отработавших газов (способ с перепуском ОГ является более разумным и характеризуется несколько более высоким КПД, по сравнению с перепуском воздуха на впуске). Достоинствами является простота в конструкции и надежность. Однако при открытии перепускного клапана показатели экономичности несколько уменьшаются.

Внутреннее регулирование. Основано на использовании подвижных элементов в корпусах компрессора и турбины.

Н аиболее эффективна установка поворотных лопаток в направляющей части корпуса турбины. Изменение положения лопаток приводит к увеличению частоты вращения ротора ТКР. Недостаток заключается в том, что может применяться в ТКР, имеющие достаточно большие диаметры колес.

Широкому применению внутреннего регулирования препятствуют конструктивная сложность и недостаточная надежность работы подвижных элементов в условиях высоких температур. Кроме того, снижается КПД из-за дополнительных сопротивлений в корпусе.

На сегодняшний день современные турбокомпрессоры оснащаются электронной системой управления. Регулирование наддува является составной частью блока управления процессами в двигателе. Блок управления современного двигателя представляет собой сплошное переплетение взаимно зависимых процессов, таких как регулирование давления наддува и регулирование детонации, управление зажигания и впрыскивания и т.д. Для удовлетворения постоянного возрастающих требований, очень многие системы двигателя теперь контролируются компьютером.

Смазывание ТКР

С мазывание ТКР происходит в картридже, т.е. в подшипниковом узле. Для уменьшения трения в картридже устанавливаются подшипники, к которым в процессе работы подводится масло. Главная задача подшипников – поддерживать необходимый масляный клин. Масляный клин позволяет избежать прямого контакта между трущимися деталями, что в значительной мере снижает силы трения. Смазывание подшипникового узла осуществляется от системы смазывания ДВС. Причем, как и в самом двигателе, масло служит скорее больше для отвода тепла от подшипников и корпуса, нежели чем для непосредственно смазки трущихся поверхностей. Для снижения температуры корпуса в нем могут быть предусмотрены каналы подачи охлаждающей жидкости.

Масло, подаваемое в турбокомпрессор, должно быть всегда чистым и соответствовать требованиям, предъявляемым изготовителем двигателя.

При грамотной эксплуатации двигателя с турбонаддувом ресурс ТКР составляет 150 тыс. км. Некоторые «экземпляры» работают до 350 тыс. км.