Исследовательская часть
Один из наиболее эффективных путей повышения мощности двигателя это наддув. В этом случае в противоположность атмосферному впуску у двигателей с наддувом воздух подается в цилиндры под избыточным давлением. Этим увеличивается масса воздуха в цилиндре, что при большей массе топлива приводит к повышению выходной мощности двигателя при равном рабочем объеме. Наддув позволяет уменьшить массу и габариты двигателя, приходящиеся на единицу мощности.
В данной дипломной работе было решено разработать бензиновый двигатель (литровая мощность выше, чем у дизеля, так как он может работать на богатых смесях) и оснастить его наддувом.
Наддув двигателя воздухом осуществляется при помощи так называемых нагнетателей и позволяет повысить среднее эффективное давление (и, таким образом, крутящий момент).
В основном различают две разновидности нагнетателей:
• турбонагнетатель, в котором требуемая на сжатие воздуха мощность отбирается от ОГ (газодинамическая связь двигатель/нагнетатель);
• механический нагнетатель, в котором требуемая на сжатие воздуха мощность отбирается от коленчатого вала двигателя (механическая связь двигатель/нагнетатель).
Однако при наддуве бензиновых двигателей надо учитывать ограничения, связанные с возможностью возникновения аномальных процессов сгорания.
Детонация — очень быстрое сгорание топлива в точках, удаленных от свечи, сопровождается резким местным перегревом и перегрузкой деталей двигателя. Внешний признак детонации — стук.
Калильное зажигание — преждевременное (до появления искры) воспламенение смеси от перегретых деталей камеры сгорания (например, от электрода свечи). Длительная работа с детонацией и калильным зажиганием недопустима: двигатель быстро выйдет из строя.
Турбонаддув
Наддув воздуха турбонагнетателем, который приводится в действие отработавшими газами, находит наиболее широкое применение среди всех известных способов. Этот вариант даже на двигателях малого рабочего объема позволяет получить крутящий момент и мощность достаточной величины при высоком КПД. Турбонагнетатели используют на легковых и грузовых автомобилях, больших судовых двигателях и тепловозах.
П
ринцип
работы турбонагнетателя следующий.
Горячие ОГ поступают на турбину и
раскручивают вал 11 до высокой частоты
вращения, которая у дизелей достигает
200000 мин-1. Направленные лопатками
турбинного колеса ОГ двигаются к оси
турбины, откуда затем выходят через
канал 8 во выпускной тракт (радиальная
турбина). Вал приводит во вращение
радиальный компрессор. Здесь противоположная
картина: поток 3 подаваемого воздуха
входит по оси компрессора, ускоряется
лопатками при движении наружу и при
этом превращается в поток 4 сжатого
воздуха.
Двигатели должны развивать высокий крутящий момент уже при низкой частоте вращения коленчатого вала, поэтому турбонагнетатель конструируется из расчета небольшой скорости потока ОГ (например, полная нагрузка при частоте вращения n <= 1800 мин-1). Для того, чтобы при больших скоростях потока ОГ нагнетатель не перегружал двигатель и сам не выходил из строя, давление наддува необходимо регулировать. Для этого используются два конструктивных варианта:
• нагнетатель с перепуском ОГ;
• нагнетатель с изменяемой геометрией турбины;
Наилучшие результаты получаются при наддуве бензиновых двигателей с электронным управлением, включающим электронное регулирование наддува. Последнее, в частности, дает возможность включить в систему управления датчик детонации для снижения давления наддува или (и) уменьшения угла опережения зажигания при возникновении в двигателе детонации. Благодаря этому двигатель при наддуве может работать практически на пределе детонации. При отсутствии в системе управления такого датчика режим работы двигателя должен быть гарантированно отодвинут от границы детонации, а это требует снижения степени сжатия двигателя или использования бензина с более высоким октановым числом.
Использование трбонаддува получило наиболее широкое распространение, однако он имеет и определенные недостатки. Например, противодавление, которое создается вследствие появления напорных потоков от турбины, нагружает поршни двигателя, что означает термодинамические потери: поэтому поршень должен совершать повышенную толкательную работу, что приводит к увеличению нагрузок на кривошипный механизм
Один из недостатков турбонаддува это его недостаточная эффективность на низких частотах вращения коленчатого вала, вследствие малого расхода отработавших газов через турбинное колесо. Это вынуждает использовать турбокомпрессор с регулируемым сопловым аппаратом, возрастает его стоимость.