Всё для ремонта авто

Меню

Метка: Турбонаддув

Турбонаддув на автомобили ВАЗ

Установка турбонаддува на ВАЗ конечно можно считать экзотикой. Однако все те преимущества, которыми славятся турбированные двигателя по сравнению с атмосферниками, поневоле приводят к подобным доработкам и увеличению количества подобных автомобилей. Установленный турбонаддув на ваз на сегодняшний день является новинкой в тюнинге продукции отечественного автопрома. В нашей статье мы попробуем вам рассказать о возможных переделках стандартных атмосферных двигателей, которыми оборудуются вазы на примере двигателей восьмерок и девяток.

Турбонаддув на ваз

Турбонаддув на ВАЗ

Теория применения турбонаддува

Конечно же, начать надо с теоретических основ наддува. Он разделяется на обычный механический наддув и турбированный (турбонаддув). И в том и другом случае созданием наддува занимается турбина, а отличия заключаются в приводе, с помощью которого турбина работает. В первом варианте вращение турбины идет от двигателя. Это позволяет избавиться от запоздалой реакции или турбоямы, так как обороты турбины напрямую зависят от оборотов двигателя, а значит и создаваемое давление. Хотя при этом у нас появляется дополнительный элемент, работа которого отнимает у двигателя часть мощности. Турбонаддув является более сложной конструкцией, ведь он состоит сразу из двух турбин. Назначением первой турбины является нагнетание воздушной смеси в цилиндры двигателя, а вторая предназначена для вращения первой, она устанавливается сразу за выпускным коллектором и проводится в действие выхлопными газами. Если говорить о самом процессе, то в данном случае он выглядит так:

  • Выхлопные газы, вырываясь через клапаны цилиндров в выпускной коллектор, приводят в движение приводную турбину;
  • Эта турбина через общий вал передает вращение на нагнетательную турбину;
  • Нагнетательная турбина, вращаясь, создает поток воздуха и давление во впускном коллекторе.

Турбонаддув имеет большое преимущество перед механическим в КПД, ведь затрат двигателя на его работу практически не происходит, однако тут уже наблюдается эффект «турбоямы». Что это значит? Это наблюдается при резком нажатии педали газа «в пол», ведь мгновенной реакции двигателя в этом случае не наблюдается. Что же происходит в этом случае? Двигателю надо время для раскрутки турбины, а для этого необходимо увеличения оборотов как минимум до уровня от 3 до 3,5 тысячи об/мин. Все турбины условно делятся на 2 группы:

  • Турбины низкого давления (от 0,2 до 0,6 бар);
  • Турбины высокого давления (до 1 бара и выше).

Установка турбин высокого давления требует более серьезной переделки двигателя и большинства систем автомобиля, тогда как турбины низкого давления допускают применения большинства штатных деталей и узлов.

Предпосылки для дальнейшего форсирования двигателя

Интересные замечания многих мастеров относительно форсирования турбированных двигателей, ведь в случае изменений обычных атмосферных двигателей с помощью чип-тюнинга или установки прямотока, мы может добиться увеличения мощности максимум на 10%, а если те же самые операции провести с турбированным двигателем, то результаты нас просто поразят. Увеличение мощности турбированного двигателя достигает 25% при помощи установок нехитрых дополнений, которые к тому же и не потребуют особых затрат.

Установка турбонаддува на ваз

Установка турбонаддува на ваз

Установка турбонаддува на вазовский двигатель

Конечно же, говорить о применении на отечественном автопроме дорогих систем с турбинами высокого давления не приходиться, так как стоимость переделок всех систем, включая трансмиссию, тормоза и подвеску, будет чрезмерно высока в сравнении со стоимостью самого автомобиля. Именно потому стоит говорить именно о бюджетном варианте, а именно варианте установки турбины низкого давления. Для примера возьмем 1,5-литровый двигатель с распределенным впрыском, который устанавливается на восьмые-девятые-десятые модели вазов.

Такие детали двигателя, как блок цилиндров, шатуны и коленвал можно использовать стандартные. А вот к использованию новых поршней и головки цилиндров все-таки придётся прибегнуть, ведь для установки турбонаддува просто необходимо снизить степень сжатия, а это можно добиться за счет увеличения камеры сгорания. В зависимости от требований и поршни можно использовать стандартные, а изменить только головку. Изменения коснуться и системы выпуска, так как между выпускным коллектором и приемной трубой будет установлена турбина. Конечно же, использование стандартных резонатора и глушителя допустимо, но больший прирост мощности наблюдается при установке прямоточного выпуска. Изменения впрыска тоже необходимы, в данном случае это установка увеличенного ресивера и нестандартной программы управления. Дополнительно стоит внести небольшие изменения в систему смазки.

Как показывает практика установить турбокомпрессор на ваз лучше всего над приводом правого колеса между приемной трубой и выпускным коллектором.

Компрессор требует подключения при помощи двух патрубков к воздушному фильтру и ресиверу. В итоге наиболее дорогостоящей и дефицитной деталью будет сама турбина, но ощущения от дополнительных “лошадей” под капотом заставят забыть о всех затратах.

Зависимость мощности двигателя от высоты над уровнем моря

С ростом высоты над уровнем моря плотность воздуха падает, и, соответственно, заметно падает мощность, развиваемая обычным двигателем. Согласно переводным коэффициентам, установленным SAE, мощность двигателя, не оснащенного системой компрессорного наддува или турбонаддува, снижается примерно на 3% на каждую тысячу футов (300 м) подъема над уровнем моря. Таким образом, если на уровне моря двигатель развивает эффективную мощность 150 л.с., то на вершине пика Пайка (Pikes Peak) в Колорадо, на высоте 14 110 футов (4 300 м),она упадет примерно на 15%.

Мощность двигателей с компрессорным наддувом или турбонаддувом не так сильно зависит от высоты, как мощность обычных двигателей, которые всасывают воздух при атмосферном давлении.

Турбоннадув воздуха

НАЗНАЧЕНИЕ

Предназначен для подачи дополнительного воздуха в цилиндры при помощи турбонагнетателя, приводимого в действие отработанными газами, для увеличения мощности и крутящего момента за счёт повышения количества топливовоздушной смеси в цилиндрах при сохранении литрового объема двигателя.

ПРИНЦИП РАБОТЫ

Двигатели с наддувом воздуха в цилиндры оснащены системами впрыска топлива, которые позволяют реализовать все возможности форсировки двигателя. Если степень форсирования характеризовать литровой мощностью, то у двигателей с наддувом она на 30 — 40 % выше, чем у атмосферных.

Разные производители, в зависимости от конструкции двигателя, применяют различные схемы наддува воздухом. Основным элементом в схеме является турбокомпрессор, включающий турбину и компрессор, расположенных на одном валу. Приводные лопасти турбины находятся в выпускном коллекторе и вращаются потоком раскалённых отработанных газов. Нагнетающий компрессор находится во впускном коллекторе — засасывает воздух через воздушный фильтр, сжимает его и подаёт в цилиндры двигателя. Для создания избыточного давления во впускном коллекторе (0,1-0,2 мПа), колесо компрессора должно иметь частоту вращения 80 -120 тыс. об\мин (в дизельных двигателях — до 200 тыс.об\мин).

Во впускном коллекторе установлен датчик давления наддува, который информирует ЭБУ двигателем о текущем давлении. При превышении максимальных значений из-за опасности повреждения деталей двигателя, ЭБУ двигателем подаёт сигнал на клапан ограничения давления, который открывает обводной канал и часть отработанных газов минует приводные лопасти турбины, и тем самым уменьшается скорость вращения и нагнетания давления. При помощи этого же клапана можно обеспечить устойчивую работу двигателя на холостом ходу и на режимах максимальных нагрузок. Такая конструкция является нагнетателем с перепуском ОГ.

Двигатели с наддувом имеют меньшую геометрическую степень сжатия и, она обычно не превышает значение 8,5. Па выходе из компрессора воздух имеет повышенную температуру, снижающую плотность заряда, поэтому для улучшения наполнения цилиндров применяют промежуточное (после компрессора) охлаждение воздуха. Для этого применяется специальный радиатор (интеркуллер), в котором воздух охлаждается. В связи с тем, что количество топливовоздушной смеси в цилиндрах увеличивается при сохранении рабочего объема, увеличивается и количество выделившегося при сгорании тепла. Температура и давление в цилиндрах повышено, поэтому необходимо более прочные детали цилиндропоршневой группы и, соответственно, усиленная система охлаждения. Использование турбокомпрессора приводит к необходимости применения высокосортных синтетических масел, обеспечивающих смазку подшипников ротора, т.к. компрессор работает при высоких оборотах и температуре. Разрушение подшипников ведёт к утечке масла во впускную и выпускную системы. Выходит из строя нейтрализатор, детали впускной системы.

Схема построения системы наддува двигателя

Рис. Схема построения системы наддува двигателя: 1 — поступающий в двигатель воздух, 2 — охладитель воздуха, 3 — впускной коллектор, 4 — выпускной коллектору 5 — нейтрализатор, 6 — турбокомпрессор, 7 — клапан до жиг а отработанных газов (EGR), 8 — датчик положения клапана

Существуют и другие конструкции. Нагнетатель с изменяемой геометрией турбины позволяет ограничить поток ОГ через турбину при помощи подвижных направляющих лопаток, изменяющих направление движения потока ОГ. Такая конструкция применяется в основном на дизельных двигателях.

Нагнетатель с дросселированием турбины применяется на двигателях легковых а\м малого объема. Управление работой турбины осуществляется путём изменения сечения воздушных каналов, подводимых к лопастям турбины. Через встроенный в корпус турбины клапан можно перепускать ОГ мимо лопастей турбины.

РАСПОЛОЖЕНИЕ

Расположен сразу за выпускным коллектором.

НЕИСПРАВНОСТИ

Закоксовывание масляных каналов смазки компрессора приводит к выходу из строя подшипников оси компрессора. Ось может заклинить.

МЕТОДИКА ПРОВЕРКИ

В условиях автосервиса можно проверить лишь подвижность оси компрессора, целостность лопастей, наличие масла в каналах смазки. Проверить давление наддува во впускном коллекторе на разных режимах работы двигателя. Ранее наддув применялся даже на карбюраторных двигателях.

На рисунке приведена схема построения системы наддува карбюраторного двигателя автомобиля РОВЕР Маэстро.

Схема турбонаддува воздуха автомобиля РОВЕР

Рис. Схема турбонаддува воздуха автомобиля РОВЕР: 1 — охладитель надувного воздуха; 2 — клапан сброса давления наддува; 3 — карбюратор; 4 — к регулятору давления топлива; 5 — турбокомпрессор; 6 — регулятор сброса оборотов турбины; 7 — вакуумная диафрагма клапана сброса давления наддува; 8 — воздушный термометр.

РЕМОНТ

Ремонт возможен только в специализированных центрах.

Вопросы по теме

[dwqa-list-questions tag=»turbina»]

Наддув воздуха в цилиндры двигателя

Назначение

Наддув воздуха предназначен для подачи дополнительного воздуха в цилиндры для увеличения мощности за счёт повышения количества топливовоздушной смеси при сохранении литрового объема двигателя.

Принцип работы

Двигатели с наддувом воздуха в цилиндры оснащены обычно системами впрыска топлива, которые позволяют реализовать все возможности форсировки двигателя. Если степень форсирования характеризовать литровой мощностью, то у двигателей с наддувом она на 30-40 % выше, чем у атмосферных. Двигатели с наддувом имеют меньшую геометрическую степень сжатия обычно не превышающую значение 8,5.

Разные производители, в зависимости от конструкции двигателя, применяют различные схемы наддува воздухом. В системах механического наддува нагнетатель приводится в движение коленчатым валом двигателя.

Схемы механических нагнетателей воздуха

Рис. Схемы механических нагнетателей воздуха. А — поршневой, В — мембринный, 1,2 — впускной и выпускной клапана, 3 — рабочий элемент (поршень, мембрана), 4 — приводной вал

В таких схемах воздух сжимается в нагнетателе и затем охлаждается и подаётся в цилиндры двигателя. На рисунке показан винтовой и Roots нагнетатели, в которых воздух сжимается за счёт встречного вращения двух элементов.

Схема механического нагнетателя воздуха Roots

Рис. Схема механического нагнетателя воздуха Roots (1 — корпус, 2 — ротор) и винтового нагнетателя (1 — приводной вал, 2 — вcаcываемый воздух, 3 — выход сжатого воздуха, 4 — лопасти)

Автопроизводители Японии используют на некоторых моделях волновые нагнетатели с названием Comprex. Данная конструкция использует волновое движение отработанных газов.

Расположение

Ременной компрессор расположен в передней части двигателя, рядом с генератором и компрессором кондиционера. Компрессор с волновым обменником расположен между впускными выпускным коллекторами.

Неисправности

Ременные и волновые компрессоры выходят из строя из-за недостаточной смазки и в результате внутренних поломок.

Методика проверки

В условиях автосервиса можно проверить лишь подвижность оси компрессора, целостность лопастей, наличие масла в каналах смазки. Проверить давление над дува во впускном коллекторе на разных режимах работы двигателя.

Ремонт

Ремонт возможен только в специализированных центрах.

Отклонение давления наддува

У турбонаддувных двигателей с регулируемой геометрией турбины особенно важно контролировать отклонения давления наддува. Для ограничения давления наддува блок управления двигателем активирует электромагнитный клапан и, в зависимости от выбранной скважности, в мембранном механизме вакуумного регулятора направляющей лопатки устанавливается разрежение. Таким образом, регулируется нужное давление наддува.

Электромагнитный клапан регулировки давления наддува

Рис. Электромагнитный клапан регулировки давления наддува

Контроль отклонения давления наддува происходит аналогично контролю отклонения рециркуляции ОГ. Контроль возможен только при определенных оборотах коленчатого вала и расходе впрыскиваемого топлива. Если отклонения в течение определенного времени выходят за пределы заданного диапазона, то в системе наддува диагностируется неисправность.

Если измеренное отклонение выходит за пределы диапазона лишь кратковременно, то неисправность не регистрируется. Если измеренное смещение выходит за пределы заданного диапазона в течение определенного времени, то регистрируется неисправность и загорается индикатор MIL.

Датчик давления наддува

Датчик давления наддува

Рис. Датчик давления наддува

Контроль давления наддува должен выполняться у всех дизельных двигателей, так как оно влияет на наполнение цилиндров и, помимо мощности и крутящего момента, особенно на выбросы частиц и оксидов азота. Проверка правдоподобности сигналов датчика давления наддува выполняется при неработающем двигателе между включением зажигания и пуском двигателя. Для проверки сравниваются значения, измеренные датчиком давления наддува и датчиком атмосферного давления. На основании этого сравнения получается дифференциальное давление, среднее значение которого не должно превышать заданного порогового значения. Если измеренное дифференциальное давление не превышает порогового значения, то датчик давления наддува считается исправным.

Лопастные компрессоры

Лопастные компрессоры наиболее широко (в сравнении с другими объёмными компрессорами) применяются в ДВС для целей наддува. Компрессор такого типа был предложен ещё в XIX веке англичанином Roots. Поэтому такие компрессоры получили название компрессоров типа «Рут».

На рисунке показано, что такой компрессор имеет привод от коленчатого вала двигателя.

Схема работы объёмного лопастного компрессора

Рис. Схема работы объёмного лопастного компрессора

Воздух поступает в компрессор через окно 1, а в двигатель отводится через окно 2. Два ротора R при своём вращении осуществляют это нагнетание. На рисунке видна внутренняя часть компрессора благодаря вырезу части его корпуса. Внешний принципиальный вид показан также на рисунке. Роторы 2, размещённые на нижнем 1 и верхнем 4 валах, вращаются синхронно благодаря шестерёнчатой передаче 3.

Схема, демонстрирующая разрез лопастного компрессора

Рис. Схема, демонстрирующая разрез лопастного компрессора

Принципиальные схемы устройства двухроторных нагнетателей

Рис. Принципиальные схемы устройства двухроторных нагнетателей:
а) с двумя лопастями (прямыми), б) с тремя лопастями (винтовыми), в) общий вид роторов с тремя винтовыми лопастями.
1 — нижние валы, 2 — роторы, 3 — шестерни, 4 — верхний вал, 5 — корпус воздуходувки, 6 — к коленчатому валу дизеля.

При этом верхний вал связан с коленчатым валом 6 двигателя. Видно, что роторы могут иметь оси, параллельные валам, т.е. прямые роторы, а могут быть винтовыми. Количество лопастей на каждом из роторов может быть два, три, редко четыре. Увеличение числа лопастей делается для уменьшения амплитуд колебаний давления воздуха на выходе из компрессора. Для этой же цели роторы выполняются винтовыми.

Принцип работы компрессора представлен на рисунке, где показаны четыре последовательных этапа процесса нагнетания воздуха компрессором. На схеме А стрелкой обозначен вход воздуха и направления вращения роторов компрессора. В поперечном сечении роторы имеют форму лопастей или лепестков, откуда и появилось их общее название. Видно, что роторы вращаются в противоположных направлениях. Т.е. верхний вращается по часовой стрелке, а нижний — против. Слева от роторов происходит заполнение воздухом объёма между роторами и стенками корпуса, а справа — нагнетание воздуха.

Принципиальная схема работы двухроторного трёхлопастного нагнетателя типа

Рис. Принципиальная схема работы двухроторного трёхлопастного нагнетателя типа «Рут»:
1 — впуск очищенного воздуха, 2 — верхний ротор, 3 — нижний ротор, 4 — корпус нагнетателя, 5 — нагнетательная полость, 6 — выпуск сжатого воздуха.

На схеме Б видно, что верхний ротор начинает закрывать впускное окно, а нижний уже закрыл впускное окно, так что полость А теперь замкнута, и объём воздуха в ней переносится при вращении ротора к выпускному окну. Переносимый объём не меняется в размере, так что изменения давления в нём не происходит. Как только переносимый объём соединяется с полостью впускного коллектора двигателя, так воздух, находящийся в сжатом состоянии в этом коллекторе, устремится в указанный переносимый объём (схема В). Затем, как показано на схеме Г, объём А по мере поворота роторов уменьшается, т. е. происходит его сжатие и нагнетание во впускной коллектор двигателя. При дальнейшем вращении роторов с впуском в двигатель соединится нижняя камера Б компрессора и т.д.

Роторы размещены в корпусе с зазорами порядка 0,5 — 1,5 мм, т. е. отсутствует контакт, отсутствует трение, нет необходимости в смазке. Между роторами также имеется постоянный зазор такого же порядка. Т. е. между роторами нет зацепления. Они имеют собственные строго синхронизированные друг с другом приводы. Однако при этом возникают проблемы с утечками воздуха, особенно на режимах пониженных частот вращения. На рисунке приведена типичная схема двухтактного двигателя с продувкой-наддувом от нагнетателя типа «Рут» с трёхлопастными роторами.

Схема двухтактного дизеля с прямоточной продувкой при установке лопастного нагнетателя типа

Рис. Схема двухтактного дизеля с прямоточной продувкой при установке лопастного нагнетателя типа «Рут»:
1 — нагнетатель,
2 — вход воздуха,
3 — выпускные клапаны,
4 — форсунка,
5 — впускной ресивер,
6 — поршень,
7 — впускные (продувочные) окна.

На рисунке ниже показана аналогичная схема, но двигатель — с горизонтальными цилиндрами.

Схема двухтактного дизеля с горизонтальным расположением цилиндров

Рис. Схема двухтактного дизеля с горизонтальным расположением цилиндров и продувкой-наддувом от к нагнетателя типа «Рут» с трехлопастными роторами:
1 — шатун,
2 — шатун,
3 — выпуск отработавших газов,
4 — форсунка,
5 — продувочные окна,
6 — впускной коллектор,
7 — нагнетатель типа «Рут» с механическим приводом,
8 — балансир (коромысло),
9 — коленчатый вал.

Итак, за один поворот двухлопастных роторов они переносят от впуска на нагнетание четыре порции воздуха, а трёхлопастные — шесть порций. При частоте вращения порядка 1500 оборотов в минуту роторы компрессора такого типа, предназначенного для тепловозного дизеля, переносят порядка 150 м3 воздуха в минуту или 9000 м3 в час.

Области применения поршневых компрессоров

Поршневые компрессоры часто используются для продувки и наддува на крупных судовых двухтактных дизелей. Известно, что двухтактный дизель не может ни работать, ни запускаться без подачи дополнительного воздуха. Т. е. даже при пуске такого двигателя, в отличие от четырехтактного, имеющего такты всасывания, необходим источник продувочного воздуха, избыточного, по отношению к атмосферному, давления. При этом желательные характеристики расхода продувочного воздуха отличаются от желательных характеристик расхода наддувочного воздуха. Поршневой компрессор в этом плане обеспечивает рациональные параметры продувки-наполнения.

На рисунке показан пример выполнения двухтактного судового дизеля с поршневым компрессором, размещённым справа от рабочего цилиндра.

Схема судового двухтактного дизеля с поршневым компрессором

Рис. Схема судового двухтактного дизеля с поршневым компрессором К, размещённым справа от рабочего цилиндра

Механизм привода поршня компрессора выполнен так, что движение поршня компрессора синхронизировано с движением поршня дизеля. Судовые дизели такого размера имеют низкие частоты вращения (порядка 200 об/мин). Поэтому КПД компрессора достигает достаточно высокого значения. Хотя, как видно на рисунке, габариты компрессора оказываются сравнимыми с габаритами всего дизеля.

Компрессоры поршневого типа применяются и на малоразмерных двигателях для продувки — зарядки цилиндра двухтактного двигателя мотоцикла или мопеда.

Двигатель имеет цилиндр двух разных диаметров. Рабочий поршень А двигателя размещён в цилиндре меньшего диаметра, а компрессорный поршень В — в цилиндре компрессора (большего диаметра).

Схема двухтактного двигателя с поршнем двойного диаметра

Рис. Схема двухтактного двигателя с поршнем двойного диаметра (для продувки и зарядки цилиндра):
А — рабочий поршень двигателя, В — поршень компрессора.

Таким образом, верхняя часть машины служит для осуществления работы двигателя внутреннего сгорания, а нижняя — работы сжатия и нагнетания заряда в цилиндр — работы компрессора.

При такте расширения в двигателе поршень компрессора совершает такт всасывания через автоматический невозвратный клапан воздуха, проходящего через систему карбюрации топлива, благодаря чему готовится горючая смесь. При движении поршней от НМТ к ВМТ сначала поршень компрессора через другой невозвратный автоматический клапан и впускной коллектор подаёт в цилиндр горючую смесь. При этом происходит и продувка (с потерей части горючей смеси, как и в двигателях такого типа традиционной конструкции), и наполнение цилиндра. Затем начинается такт сжатия в рабочем цилиндре и последующая работа поршневого двигателя с внешним смесеобразованием и воспламенением смеси от электрической свечи, показанной в верхней части цилиндра.

В конструкции такого типа с максимальной эффективностью использовано пространство внутри двигателя, так что поршневой компрессор практически не увеличивает габариты и массу двигателя. Смазка двигателя осуществляется обычным для двигателей такого типа путём, т. е. благодаря добавке смазочного масла к топливу (бензину). Кроме того, картер двигателя заполнен смазочным маслом, которое при вращении кривошипа разбрызгивается в полости двигателя, попадая на зеркало цилиндра компрессора и обеспечивает дополнительную смазку компрессора.

На рисунке показана схема двухтактного двигателя с кривошипно-камерной продувкой цилиндра.

Схема двухтактного двигателя с кривошипно-камерной продувкой

Рис. Схема двухтактного двигателя с кривошипно-камерной продувкой:
А) Общий вид.
Б) Процесс сжатия над поршнем и всасывания под ним.
В) Процесс сгорания-расширения над поршнем и сжатия под ним.
Г) Процесс выпуска отработавших газов и продувка-наполнение цилиндра свежей горючей смесью.
1 — герметичный картер,
2 — впускной канал,
3 — впускные окна,
4 — головка поршня с дефлектором,
5 — ВМТ,
6 — компрессионные поршневые кольца,
7 — выпускные окна,
8 — впускные окна,
9 — впуск,
10 — выпуск.

В данном случае речь идёт о малоразмерном двигателе, обычно мотоциклетном, двигателе мотороллера и т.д.

Роль поршневого компрессора выполняет сам поршень двигателя, а компрессорного пространства, цилиндра -подпоршневая полость двигателя, его картерное пространство. Сжатие заряда (смеси бензина с воздухом) происходит при движении поршня вниз, в такте расширения в рабочим цилиндре. Конечно, строго говоря, в данном случае речь идёт не о наддуве, а лишь о продувке-наполнении цилиндра свежей смесью.

Давление, которое создаёт такой компрессор, обычно не превышает 0,2 бар. Как известно, у двухтактных двигателей с петлевой продувкой простота конструкции создаёт и определённые недостатки.

Действительно. При ходе поршня от ВМТ к НМТ в конце такта расширения открываются выпускные окна, а затем, после свободного выпуска, — впускные (продувочные) окна. При движении поршня от НМТ к ВМТ сначала происходит закрытие продувочных окон, а затем — выпускных, с очевидной потерей части свежего заряда.

Поскольку в таких простых двигателях выпуск не управляется никакими клапанами, то при продувке цилиндра горючей смесью часть её выбрасывается в окружающую среду. При этом чем выше будет давление продувки — наддува, тем больше будет потеря заряда горючей смеси. Были попытки установки на выпуске дополнительных автоматических клапанов. Очевидно, что повышая давление открытия этих клапанов, мы можем повышать и давление наддува без чрезмерной потери заряда. Однако при этом повышается и давление выпуска отработавших газов, а следовательно, и давление остаточных газов, ухудшается очистка цилиндра от ОГ., что в целом снижает эффективность работы двигателя.

Для того чтобы исключить такие потери, у крупных двигателей применяют управляемые выпускные клапаны или золотники, например, решение, представленное на рисунке.

Двигатель имеет отдельные коллектора для наддувочного и для продувочного зарядов (соответственно 1 и 3). Клапан 2 с независимым приводом управляет подачей наддувочного воздуха в цилиндр (на рисунке он изображён в открытом положении). Автоматический клапан 4 обеспечивает подачу продувочного воздуха. Цилиндр имеет верхний ряд окон для наддува, затем ряд окон (более высоких по размеру) для выпуска отработавших газов и, наконец, третий ряд — для продувки цилиндра. Когда поршень при такте расширения открывает верхние окна, то клапан 2 находится в закрытом положении. Газы из цилиндра не поступают в воздушный коллектор. Затем открываются выпускные окна, происходит свободный выпуск отработавших газов. Открывается третий ряд окон (продувочных).

Двухтактный двигатель с независимой подачей воздуха на продувку цилиндра и на наддув

Рис. Двухтактный двигатель с независимой подачей воздуха на продувку цилиндра и на наддув:
1 — коллектор наддувочного воздуха,
2 — клапан управления воздухом для наддува,
3 — коллектор воздуха для продувки,
4 — автоматический клапан продувочного воздуха,
5 — выпускной коллектор.

Происходит продувка цилиндра воздухом из продувочного коллектора 3, который содержит заряд сжатого воздуха от предыдущего цикла. Далее поршень движется вверх, закрывая сначала продувочные окна, а затем и выпускные. Открытыми остаются лишь окна наддува. В это время клапан 2 открывает проход воздуха из коллектора 1 в цилиндр через верхние наддувочные окна. Происходит наддув цилиндра. Одновременно наддувочный воздух через автоматический клапан 4 попадает в коллектор 3, «заряжая» его для продувки цилиндра в следующем цикле. Затем наддувочные окна скрываются перемещающимся поршнем и начинается такт сжатия и остальная часть рабочего цикла.

Конечно, и в этом случае давление наддува ограничено сравнительно низким уровнем. Обычно такой процесс называют процессом дозарядки цилиндра.

Известны поршневые компрессоры (компрессоры с возвратно — поступательно движущимися рабочими органами), которые применимы для высокого уровня наддува. Так, сложный многоцилиндровый поршневой компрессор с оппозитными поршнями Wellworthy-Ricardo, обеспечивает повышение давления до 7 — 18 бар. Компрессор весьма компактен, в том числе благодаря применению косой шайбы вместо кривошипно-шатунного механизма для преобразования вращательного движения вала в поступательное движение поршней. Как и другие поршневые компрессоры, данный компрессор требует значительных затрат энергии на его привод, а получаемые характеристики компрессора неудовлетворительно согласовываются с потребными характеристиками двигателя.

Примером применения поршневого компрессора является также свободно-поршневой генератор газа (СПГГ) с силовой газовой турбиной.

Достоинства и недостатки применения наддува двигателя

Основные достоинства применения наддува заключаются, конечно, в повышении мощности при практически неизменных показателях массы и габаритов. Однако имеются и другие достоинства (которые оцениваются в условиях одинаковой развиваемой мощности как двигателем с наддувом, так и без наддува). К ним относятся следующие.

Повышение топливной экономичности, т.е. снижение удельного эффективного расхода топлива. Дизель с наддувом имеет более низкий удельный расход топлива, чем аналогичный дизель с естественным всасыванием, в диапазоне повышенных нагрузок, т.е. тогда, когда особенно существенно сказывается давление наддува.

Сравнение нагрузочных характеристик по удельному расходу топлива дизелей с наддувом и без наддува

Рис. Сравнение нагрузочных характеристик по удельному расходу топлива дизелей с наддувом и без наддува

При пониженных нагрузках, когда двигатель с наддувом приближается по этому показателю к двигателю без наддува, экономичность их сравнивается или даже ухудшается у наддувного двигателя. И всё же при 100% нагрузки безнаддувного двигателя его удельный расход превышает удельный расход дизеля с наддувом (при той же мощности) на величину, превышающую 7 %.

Основными причинами повышения экономичности дизеля с наддувом являются следующие:

  • A) Более совершенное сгорание благодаря возможности использовать повышенный коэффициент избытка воздуха.
  • Б) Большая доля топлива сгорает при постоянном объёме, повышается степень повышения давления X при сгорании.
  • B) Зарядка цилиндра происходит воздухом повышенного давления, благодаря чему появляется дополнительная положительная работа, причём энергия на предварительное сжатие воздуха отбирается не от двигателя, а от отработавших газов, которые в двигателе без наддува выбрасывались в атмосферу.

Можно сказать, что моторесурс дизеля с наддувом превышает моторесурс аналогичного безнаддувного двигателя. Это связано со следующими факторами. Период задержки воспламенения в наддувном двигателе, как правило, уменьшается, т. к. впрыскивание топлива происходит в среду с повышенной температурой. В результате этого снижается фактор динамичности цикла, сгорание становится более мягким, пропадают характерные для дизеля ударные нагрузки.

Повышение температуры и давления заряда в цилиндре позволяют на двигателе с наддувом применять нетрадиционные (альтернативные) топлива, как правило, более дешёвые. Их особенностью как правило, является пониженная воспламеняемость (низкие цетановые числа), повышенная вязкость и т. д.

Повышенный коэффициент избытка воздуха позволяет лучше охлаждать камеру сгорания. Благодаря повышенному коэффициенту избытка воздуха отработавшие газы имеют более низкую температуру, т. е. не перегружают термическими нагрузками выпускной клапан и т. д. Благодаря наддуву среднее эффективное давление дизеля становится выше, но максимальное давление не возрастает в такой же степени, т.е. не возрастают нагрузки на подшипники и другие детали, что повышает срок их службы.

В нестандартных условиях, например, в условиях высокогорья, двигатель с турбонаддувом менее чувствителен к снижению плотности воздуха с ростом высоты над уровнем моря. Снижение плотности автоматически в определённой степени компенсируется повышением эффективности работы турбонагнетателя.

Практические достоинства применения наддува заключаются в следующем. Целесообразно применять наддув, если требуется повысить мощность силовой установки, практически не меняя конструкции самого двигателя. Целесообразно применять наддув, когда нужно сэкономить пространство, например, пространство внутри судна для увеличения полезного объёма перевозимого груза. Цена на двигатель с наддувом остаётся ниже, чем цена на двигатель без наддува (при одинаковой мощности).

При всех указанных достоинствах применение наддува обладает и рядом недостатков, которые зависят прежде всего от применяемых схем наддува, методов наддува, принципов его организации, конструктивного оформления системы наддува. На рисунке показано, что двигатель со свободным турбокомпрессором имеет номинальную мощность на 10 — 15 % выше, чем двигатель без наддува. Однако при этом коэффициент приспособляемости (К) по моменту снизился на 4,3 %, а по частоте (Кп) — на 7,5 %. Это является недостатком двигателя силовой установки транспортного назначения. Известно, что бензиновый двигатель более приспособлен для использования в качестве двигателя для транспортного средства благодаря высоким значениям коэффициентов приспособляемости по моменту. Такой двигатель обладает лучшей тяговой характеристикой.

Изменение внешней скоростной характеристики дизеля (характеристика крутящего момента) в вариантах без наддува и с наддувом

Рис. Изменение внешней скоростной характеристики дизеля (характеристика крутящего момента) в вариантах без наддува и с наддувом

Спрямление внешней скоростной характеристики по моменту при применении наддува объясняется изменением (спрямлением) кривой относительного коэффициента наполнения.

В условиях эксплуатации двигатели различных назначений работают преимущественно на неустановившихся режимах. Двигатели со свободным турбокомпрессором обладают худшей приёмистостью, чем двигатели с приводными нагнетателями или другими специальными схемами наддува. То есть из-за отставания разгона турбокомпрессора от разгона коленчатого вала, происходит отставание процесса снабжения цилиндров воздухом, снижаются эксплуатационные экономические и мощностные показатели.

В целом, говоря о достоинствах дизелей с наддувом, можно отметить следующее:

  1. Благодаря применению наддува можно поднять мощность силовой установки, источника энергии без дорогостоящих модернизаций.
  2. Благодаря наддуву можно использовать более компактные установки, экономя габариты машинного зала, машинного отделения судна, подкапотного пространства автомобиля и т. д., а также снизить массу установки.
  3. Благодаря наддуву можно снизить расход топлива, вообще стоимость расходов на эксплуатацию установок.
  4. Благодаря турбонаддуву снижается шум выхлопа, т. к. турбина сама является хорошим глушителем шума.
  5. Благодаря наддуву можно решить проблемы, связанные с эксплуатацией установок в высокогорных условиях.
  6. Двигатели с наддувом позволяют применять более дешёвые, нетрадиционные топлива.
  7. Двигатели с наддувом меньше загрязняют окружающую среду вредными выбросами.

К недостаткам наддува относятся более высокие механические и тепловые нагрузки, чем у двигателей без наддува. При определённых условиях двигатель с турбонаддувом имеет менее благоприятное протекание кривой крутящего момента двигателя, особенно при высоких степенях наддува. Двигатель со свободным турбонаддувом имеет худшую приёмистость.

Охлаждение наддувочного воздуха

Возрастание температуры воздуха или заряда в компрессоре зависит от степени повышения давления, КПД компрессора и теплообмена со стенками, т. е. от конструкции компрессора. Повышение температуры на впуске в двигатель имеет следующие отрицательные стороны.

Для наполнения цилиндра определяющей является плотность заряда. Однако при определённых условиях степень повышения плотности заряда от р1 на входе в компрессор до р2 на его выходе при его сжатии от давления р1 до давления р2 может быть ниже, чем степень повышения давления. В случае изоэнтропийного сжатия при n=1 степень повышения плотности заряда (отношение плотностей) равна степени повышения давления (отношению давлений). Иначе говоря, увеличение температуры заряда при сжатии его в компрессоре ведёт к потере возможного повышения его плотности, а следовательно, массового наполнения цилиндра.

Кроме того, с повышением температуры заряда возрастает термическая напряжённость двигателя.

Приблизительно можно сказать, что применение наддува в 0,5 бар над уровнем окружающей среды приводит к росту температуры на впуске в двигатель на 30°. А при наддуве 0,7 — 1 бар (избыточных) — уже на 120°.

На двигателях с наддувом охлаждение наддувочного воздуха, предложенное ещё Рудольфом Дизелем, является важнейшим и простейшим средством повышения мощности, причём, оно тем эффективнее, чем выше степень повышения давления в компрессоре. Предварительное охлаждение заряда снижает суммарные потери теплоты в двигателе, повышает механический КПД благодаря более высокой мощности без повышения давлений, а также снижает удельный расход топлива.

Применение охлаждения заряда целесообразно уже от степени повышения давления порядка 1,5:1,0, а при степени повышения давления выше 2:1, учитывая термическую напряжённость двигателя и связанную с ней эксплуатационную надёжность, применение промежуточного охлаждения (промохлаждения) необходимо.

Охлаждение воздуха может осуществляться водой или воздухом. При применении воды температура воздуха после охладителя лишь на несколько градусов превышает температуру воды на входе. При применении в качестве охладителя воздуха температура заряда после охлаждения примерно на 15° превышает температуру окружающей среды. При использовании новых технологий обработки лёгких металлов автомобильные системы охлаждения типа «воздух/воздух» получают преимущества по сравнению с системами «вода/воздух».

Ориентировочно можно сказать, что при равном давлении наддува и понижении температуры наддувочного воздуха на 10° увеличение плотности воздуха составляет около 3%. Следовательно, при одинаковом коэффициенте избытка воздуха и одинаковом удельном расходе топлива повышение мощности составит 3%. Кроме того, при снижении температуры заряда на 10° примерно на 0,5% возрастает экономичность.

Следовательно, повышение мощности может составить 3,5%. Если же говорить об ограничении мощности по предельной температуре поршня, то на 10° снижения температуры наддувочного воздуха можно повысить мощность на 5% (при равной температуре поршня). Связано это с тем, что отвод теплоты через стенки цилиндра можно уменьшать на величину, примерно равную отводу теплоты от наддувочного воздуха. Следует добавить, что охлаждение наддувочного воздуха приводит также к снижению содержания вредных компонентов в отработавших газах.

Преимущества и недостатки систем импульсного наддува и наддува при постоянном давлении

С ростом КПД турбокомпрессора и степени повышения давления в компрессоре растут преимущества наддува при постоянном давлении газов перед турбиной. Для двигателя он даёт следующие преимущества:

более простой и дешёвый выпускной коллектор;

  • меньшая работа, затрачиваемая поршнем на выталкивание газов (импульс давления газов на выпуске быстро уменьшается, он не отражается от малого сечения соплового аппарата турбины), в результате — снижение расхода топлива при высоких средних эффективных давлениях;
  • более равномерные параметры наддува по цилиндрам, а следовательно, более равномерная тепловая напряжённость.

Недостатки, которые система постоянного давления перед турбиной даёт двигателю, заключаются в следующем.

  1. Равенство между давлением наддува и противодавлением достигается при более высоких ре, чем при импульсном наддуве. В результате на малых нагрузках появляется обратный поток газов.
  2. Перепад давления во время продувки даже при полных нагрузках меньше, чем при импульсном наддуве. Поэтому при одинаковом перекрытии клапанов для одинакового качества продувки требуется больше воздуха, а соответственно — меньше подача воздуха в цилиндр. (Этот недостаток частично компенсируется повышенным КПД турбины, благодаря более равномерному подводу к ней газа).
  3. Двигатель обладает худшей приёмистостью, что определяется следующими причинами.
    • Энергия газов на частичных нагрузках ниже из-за отсутствия импульсов давления.
    • Заполнение газом выпускного коллектора большого объёма требует большего времени.
    • При частичных нагрузках и низких частотах вращения увеличивается коэффициент остаточных газов из-за заброса газов из выпускного коллектора. В результате при данном давлении наддува снижается наполнение цилиндра воздухом, раньше наступает предел дымления, уменьшается избыток мощности, необходимый для разгона.
  4. Меньший расход воздуха приводит к снижению коэффициента избытка воздуха и повышенным температурам ОГ перед турбиной.

Самому турбокомпрессору принцип постоянного давления даёт только преимущества, а именно:

  • Турбина имеет большую пропускную способность соплового аппарата, благодаря чему уменьшаются её размеры.
  • Повышенная надёжность турбины, пониженная вероятность поломок лопаток (колебания лопаток тем меньше, чем меньше подводов газа имеет газоподводящий корпус турбины).
  • Пониженные нагрузки на подшипники, возникающие из-за гироскопических моментов, возникающих при импульсном подводе газов.
  • Повышенный КПД газовой турбины без импульсного или изменяющегося парциального подвода газа.
  • Преимущества импульсного наддува для четырёхтактных двигателей неоспоримы при пусках, малых нагрузках и пониженных частотах вращения. На двухтактных двигателях на этих режимах используются вспомогательные устройства, компенсирующие недостаток воздуха, поэтому преимущества импульсного наддува пропадают. У крупных двухтактных судовых двигателей преимущества системы постоянного давления газов перед турбиной сказываются на более низких нагрузках и частотах вращения, чем у 4-тактных. Показатель приёмистости для крупных судовых дизелей менее значим, чем для автомобильных ДВС. Действительно, время разгона всей системы двигатель-винт-корпус судна существенно превышает время разгона самого двигателя. Т. е. для разгона судна более существенную роль играет полная мощность двигателя, чем время достижения этой мощности.

Постоянное давление газов перед турбиной

Первая успешно применённая на практике система турбонаддува имела общий выпускной коллектор, т. е. являлась системой постоянного давления газов перед турбиной. Газовая турбина в этом случае работает при постоянном давлении газов перед ней. Большой объём коллектора не позволяет использовать импульс давления газов в период открытия выпускного клапана, энергия этого импульса теряется. На рисунке показана индикаторная диаграмма процессов газообмена дизеля с наддувом при постоянном давлении газов перед турбиной.

На диаграмме видна существенная потеря энергии газов (падение давления) при выпуске в коллектор большого объёма, в котором имеется постоянное давление рр. Дополнительная энергия продувки цилиндра (продувка) получается благодаря превышению давления продувки — наддува рк над давлением перед турбиной рр.

Система наддува при постоянном давлении имеет ряд существенных недостатков, которые ограничивают возможные области её применения. Так, при резком снижении нагрузки, когда происходит снижение показателя рк/рр, снижается работа, идущая на турбину, уменьшается работа, затрачиваемая на продувку, а следовательно, ухудшается качество очистки — наполнения цилиндра, двигатель резко теряет экономичность. Кроме того, турбокомпрессор при таком наддуве обладает повышенной инерционностью, медленно разгоняется, что ухудшает динамические качества двигателя (ухудшение протекания неустановившихся режимов разгонов, набросов нагрузки и т.д.).

Индикаторная диаграмма процесса газообмена двигателя с наддувом при постоянном давлении

Рис. Индикаторная диаграмма процесса газообмена двигателя с наддувом при постоянном давлении

Другой недостаток заключается в трудности обеспечения хорошей продувки при частичных нагрузках и в необходимости повышать температуру выпускных газов для работы ТК. Необходимость иметь единый коллектор большого объёма на двигателях с малым числом цилиндров приводит к возможности обратного заброса газов в цилиндры. Как для двухтактных, так и для четырёхтактных двигателей возникают проблемы запуска двигателя.

Достоинства системы наддува с постоянным давлением газов перед турбиной проявляются, если двигатель работает желательно с постоянными и полными или близкими к полным нагрузками. И конечном итоге, если удаётся поддерживать высокое отношение рк/рр, то система наддува имеет оптимальную эффективность, турбина работает с максимальным КПД. Достоинством такой системы является также относительная свобода в выборе места установки ТК на двигателе, т. к. нет необходимости в поиске оптимального расположения его для сохранения импульсов энергии от волн давления газов. Наиболее предпочтительно применение таких систем в крупных стационарных установках.

Пуск двигателя с наддувом

Известно, что для пуска двигателя необходимо его коленчатый вал привести во вращение от постороннего источника энергии и довести частоту вращения до некоторой величины, обеспечивающей удовлетворительное протекание процессов смесеобразования, сжатия и воспламенения горючей смеси. Необходимая для начала работы пусковая частота вращения зависит от способа смесеобразования, зажигания или самовоспламенения, от типа двигателя, его конструктивных особенностей, степени изношенности, от температуры воздуха и теплового состояния самого двигателя.

Конструктивной особенностью двигателя с наддувом, особенно повышенным наддувом, является пониженная, по сравнению с двигателем с естественным всасыванием, степень сжатия. Следовательно, отсюда возникают проблемы обеспечения эффективного пуска. Особые сложности эта проблема представляет при необходимости обеспечения холодного пуска (пуска непрогретого двигателя, особенно в условиях пониженных температур окружающего воздуха и особенно в условиях высокогорья, т. е. пониженных давлений окружающей среды). В сравнении с дизелем пуск бензинового двигателя можно на-звать лёгким и быстрым. И объясняется это применением внешнего смесеобразования, использованием легко испаряющегося топлива, наличием возможности обогащения пусковой смеси. Всё это позволяет иметь минимальную пусковую частоту вращения для бензиновых ДВС на уровне 50 мин-1, даже с учётом пониженных температур окружающего воздуха. Минимальная пусковая частота вращения вала автотракторного дизеля значительно выше (150 — 250 мин-1 даже при температуре окружающего воздуха 10 — 15°С для дизелей с неразделёнными и разделёнными камерами сгорания соответственно), вследствие особенностей смесеобразования и воспламенения.

Сложности холодного пуска хорошо известны. К ним относятся проблемы проворачивания вала с достаточно высокой частотой, когда масло из-за низких температур является чрезмерно вязким и создаёт большие сопротивления прокрутке вала. Но ещё более сложна для решения проблема самовоспламенения топлива. Низкая начальная температура заряда, а также низкая степень сжатия не обеспечивают получения достаточно высокой температуры сжатия. Холодные стенки цилиндров дополнительно отводят тепло от сжатого заряда, ещё более снижая его температуру.

По мере усовершенствования систем пуска дизелей пришлось столкнуться с необходимостью предварительного прогрева двигателя, с необходимостью иметь аккумуляторные батареи повышенной ёмкости и мощности, а следовательно повышенной мощности электрогенераторы.

В автотракторных высокооборотных двигателях проблема самовоспламенения топлива решается применением высокой степени сжатия, которая часто составляет 20 и более. Малоразмерные автомобильные дизели ранее выполнялись преимущественно с разделёнными камерами сгорания, и поэтому не составляло больших сложностей установить в камере свечу накаливания, которая и обеспечивала после предварительного прогрева достаточный уровень температуры заряда (в сравнительно малом объёме камеры сгорания). Двигатели с неразделёнными камерами требуют более мощного источника прогрева, больших размеров свечи накаливания и больших источников электропитания.

Все эти средства дают хороший эффект для дизелей без наддува. Однако для дизеля с наддувом проблема пуска усложняется. Как отмечено ранее, у такого двигателя часто приходится уменьшать степень сжатия. При степени сжатия 13 (очень низкой для безнаддувного двигателя и достаточно высокой для двигателя с наддувом) температура сжатия достигает 630°С на режиме полной нагрузки, но значительно ниже на режимах частичных нагрузок, когда турбокомпрессор имеет малую или даже нулевую производительность. (Двигатель без наддува в тех же атмосферных условиях при степени сжатия 16 обеспечивает получение температуры сжатия, равной 720°С). Очевидно, что у дизеля с наддувом на режиме пуска компрессор не работает, и в результате температура сжатия получается очень низкой. Ситуацию улучшает применение электронагревателей масла. Такой нагреватель обычно устанавливается в картере двигателя совместно с охладителем масла, и в режиме длительной стоянки автомобиля (двигателя) прогревает масло и двигатель, чем и обеспечивается повышение эффективности пуска.

Другим методом может служить установка нагревателей воздуха на впуске в дизель, как это было показано, например, в первой главе. Нагреватель воздуха подключается к аккумуляторной батарее двигателя и включается за несколько секунд до начала пуска дизеля. Воздух, проходя через спираль нагревателя, нагревается, что обеспечивает повышение температуры сжатия и облегчение пуска. Если пуск не состоялся, то необходимо выждать одну-две минуты перед очередной попыткой пуска, чтобы не иметь затем проблем с аккумуляторной батареей.

Схема системы облегчения пуска дизеля из холодного состояния

Рис. Схема системы облегчения пуска дизеля из холодного состояния:
1 — бак дизельного топлива, 2 — свеча накаливания, 3 — соленоидный клапан, 4 — топливоподкачивающий насос, 5 — топливный фильтр, 6 — аккумулятор, 7 — выключатель, 8 — впускной коллектор двигателя.

Система работает следующим образом. При необходимости холодного пуска выключателем 7 включают подачу электрического тока на свечу накаливания 2 и одновременно на соленоидный клапан 3. Последний открывает доступ небольшого количества топлива на свечу накаливания. В результате происходит испарение топлива и затем вход паров в цилиндр двигателя. Этим облегчается смесеобразование и самовоспламенение смеси при циклах пуска. При неудавшейся попытке пуска соленоид 3 автоматически перекрывает подачу топлива и выключает спираль нагрева 2. Через одну-две минуты можно повторить попытку пуска.

Одним из наиболее эффективных способов холодного пуска является способ подачи на всасывании в цилиндры горючих смесей на базе специальных легковоспламеняющихся жидкостей (ЛВЖ). Простейшим из них является применение аэрозольных баллонов с ЛВЖ, из которых горючая смесь подаётся на впуск двигателя. Недостатком такой системы в частности является невозможность достаточно точно дозировать подаваемую смесь, что приводит к чрезмерным нагрузкам на детали двигателя и проч.

Системы CAV и BOSH имеют специальную ёмкость с ЛВЖ, расходом из которой управляет водитель, дозируя горючую смесь более точно и эффективно.

На рисунке показана система обеспечения холодного пуска дизеля с помощью подачи испарённого топлива на впуске в цилиндры.

Недостатком всех систем внешнего смесеобразования по пусковой жидкости является возможность чрезмерно раннего самовоспламенения смеси в цилиндре, т. е. существенно до ВМТ. Это происходит, если температура двигателя или окружающего воздуха оказывается несколько выше, чем предусмотрено инструкцией на применение данной ЛВЖ. Или если после первого неудачного запуска вскоре проводится вторая попытка, а двигатель уже несколько прогрелся. Т. е. при сжатии горючей смеси, содержащей ЛВЖ, происходит слишком раннее самовоспламенение, возникают высокие механические нагрузки на детали цилиндро-поршневой группы, удары в цилиндрах, возникают отрицательные крутящие моменты и даже возможности проворачивания вала в обратном направлении.

Устранение такого недостатка возможно, если ЛВЖ подавать внутрь цилиндра, т. е. организовать внутреннее смесеобразование по пусковой жидкости. В этом случае самовоспламенение пусковой смеси происходит вблизи ВМТ, исключаются возможности появления отрицательных крутящих моментов на валу, исключаются возможности опасных ударов в цилиндрах. Более того, появляется возможность подавать ЛВД уже во время работы двигателя, с тем чтобы контролировать его разгон и выход на устойчивую частоту вращения без самопроизвольной остановки, «заглохания». Для реализации такого метода целесообразно применять систему топливоподачи с так называемым клапаном регулирования начального давления (РИД) 6, установленным между источником ЛВЖ 8 и линией высокого давления (ЛВД) 3 топлива.

Схема системы топливоподачи с клапаном РИД

Рис. Схема системы топливоподачи с клапаном регулирования начального давления (РИД) для ввода в дизельное топливо легковоспламеняющейся жидкости (ЛВЖ):
1 — плунжер ТНВД, 2 — нагнетательный клапан с разгрузочным объёмом, 3 — линия высокого давления ЛВД, 4 — ограничитель хода клапана РНД, 5 — возвратная пружина, 6 — клапан РНД, 7 — вентиль, 8 — источник ЛВЖ, 9 — направляющий хвостовик клапана, 10 — седло клапана РНД, 11 — форсунка (закрытого типа), 12 — дизель.

Клапан РНД 6 имеет направляющий хвостовик 9 и может перемещаться в седле 10. Его ход ограничен величиной hpнд благодаря ограничителю хода 4. Возвратная пружина 5 определяет перепад давления, при котором клапан РНД 6 открывается. Вентиль 7 регулирует величину подачи ЛВЖ. Клапан РНД (по существу, обратный клапан) открывается в периоды между циклами впрыскивания топлива, и ЛВЖ подаётся в ЛВД вблизи форсунки 11, где смешивается с дизельным топливом. В очередном цикле нагнетания топлива плунжером 1 ТНВД через натетательный клапан 2 полученная смесь ЛВЖ с дизельным топливом впрыскивается в цилиндр дизеля 12.

Некоторые фирмы — производители двигателей с наддувом идут на сохранение повышенной степени сжатия, т. е. на повышение механических нагрузок на детали ЦПГ, с целью решения проблемы пуска. Очевидно, что применимость этого метода ограничена как уровнем применяемого наддува, так и запасом прочности двигателя, его надёжностью и долговечностью.

Охлаждение форсированого двигателя

Итак, двигатель был форсирован по мощности применением наддува и очевидно, что в этом случае повысился подвод тепла к ряду деталей или частей двигателя, особенно расположенных вблизи камеры сгорания.

При инженерной оценке считается, что для эффективного охлаждения особо нагретых частей двигателя, находящихся вблизи камеры сгорания, необходимо около 140 литров охлаждающей жидкости на каждый киловатт — час вырабатываемой двигателем энергии. К счастью, применяемые на двигателях системы охлаждения с циркуляцией охлаждающей жидкости с помощью водяного насоса и с холодильником (радиатором) охладителя позволяют обеспечить в среднем допустимую температуру деталей двигателя при значительно меньшем расходе охладителя. Принципы работы системы охлаждения широко известны. Однако, следует подчеркнуть те средства или пути, которыми можно воспользоваться для повышения эффективности системы охлаждения. К ним относятся следующие:

  • повышение объёма жидкого охладителя;
  • повышение скорости протекания жидкости у охлаждаемых элементов, деталей;
  • увеличение поверхности радиатора охлаждения жидкости.

Первые два пути реализуются увеличением производительности водяного насоса. При этом требуется как проектирование нового корпуса насоса, так и новой крыльчатки, так как с изменением производительности меняются и треугольники скоростей на входе и выходе лопаток крыльчатки, меняется равномерность подачи жидкости, что нужно предвидеть.

Принципиально, двигатель с наддувом может успешно в течение довольно длительного времени работать с системой охлаждения, которая была использована на двигателе без наддува. Однако при этом после некоторого времени работы начнут появляться повторные срывы, разрывы потока жидкости в зонах, где имеются наиболее высокие уровни температур, местные паровые пробки, а это приведёт к нарушению теплоотвода, перегреву этих зон. Для исключения этого явления необходимо проанализировать конфигурацию каналов полостей охлаждения и изменить их, с целью устранения узких проходов, дросселирующих течение жидкости, резких поворотов, изменений направления течения охладителя. Хороший результат даёт визуальное исследование цветов разных зон стенок внутренних каналов. Зоны, имеющие повышенную белизну, словно керамическое покрытие, являются зонами повышенных температур. Именно их охлаждению должно быть уделено повышенное внимание. А по результатам этих исследований можно составить «карту» температур с выделением зон особо нагретых. Следует проверить, чтобы в зонах, наиболее термически нагруженных, скорость охладителя несколько превышала 3 м/с, благодаря чему при работе двигателя на полных нагрузках будет обеспечено нормальное функционирование охлаждения этой зоны. Нужно стремиться к устранению больших объёмов полостей, где создаются застойные зоны, снижается скорость протока жидкости. В то же время нельзя увеличивать скорость протока чрезмерным сужением проходных сечений, чтобы не вызвать нарушения сплошности потока. Особое внимание надо уделить зонам между клапанами, зонам, размещённым вблизи форсунки, вблизи камеры сгорания (для разделённых камер). Для этого делают специальные сверления в блоке и головке.

Охлаждение головок цилиндров должно быть организовано таким образом, чтобы обеспечивалось в первую очередь равномерное температурное поле поверхности огневого днища. Большая неравномерность температур в плоскости днища является причиной высоких температурных напряжений в его отдельных элементах. Особенно большие температурные градиенты имеют место в перемычках между клапанами, а также между клапанами и приливом под вихревую камеру. Днища двигателей вихрекамерного типа отличаются большой неравномерностью температур. Даже у двигателя без наддува перепад температур между центральной и периферийной зонами днища может достигать 220 °С. Значителен перепад температур и по толщине днища (до 100 градусов). Для уменьшения неравномерности температурного поля охлаждающая жидкость должна подводиться прежде всего к наиболее нагретым участкам днища: межклапанным перемычкам, выпускным каналам, приливам под форсунку и свечу зажигания и т.д. Высокая температура стенок выпускного канала ухудшает отвод тепла от седла выпускного клапана. Для равномерного отвода теплоты по всей окружности седла, а также снижения температуры межклапанной перемычки между патрубками впускного и выпускного каналов, следует обеспечивать достаточный проход для охлаждающей воды. Для интенсификации охлаждения наиболее нагретых участков применяют специальные устройства (запрессованные трубки, колпачки. Каналы в приливах), служащие для направленного подвода жидкости к охлаждаемому элементу.

На рисунке приведена схема удачно спроектированных каналов охлаждения в головке вихрекамерного двигателя. Охлаждающая жидкость выходит из полости рубашки охлаждения через сверление А и входит в головку по сверлению Б, закрытому снаружи технологической пробкой. Выход жидкости направлен к сверлению В. В зонах узкостей и резких поворотов потока скорости жидкости не должны существенно превышать 3 м/с. В противном случае возрастают гидравлические потери, необходимо повышать мощность привода водяного насоса и т.д.

Схема каналов охлаждения в головке вихрекамерного двигателя

Рис. Схема каналов охлаждения в головке вихрекамерного двигателя

В то же время необходимо избегать существенного снижения скоростей жидкости, так как это приводит к повышению температуры воды в этой зоне, возможности вскипания жидкости с соответствующим нарушением режима охлаждения.

Сверления А, Б, В в блоке и головке обеспечивают вход и выход воды на охлаждение. При этом эффективно, с адекватной скоростью омываются зоны размещения клапанов (Г, Д), а также зона камеры сгорания (К), в её верхней части.

Для устранения этого недостатка требуется повышать давление в системе охлаждения, а значит, потери на привод насоса и т.д.

Достоинства и недостатки системы «Компрекс»

Основным достоинством системы «Компрекс» является, (конечно, дополнительно к увеличению мощности и момента) возможность получения благоприятного протекания внешней скоростной характеристики (ВСХ) двигателя по крутящему моменту. Т. е. достигается ВСХ с незначительным снижением момента после достижения его максимума (в отличие от резкого падения момента при применении системы турбонаддува). Кроме того, система обеспечивает двигателю высокую приёмистость, т. к. при разгоне не требуется разгон нагнетателя, как при применении ГТН, а все параметры наддува зависят лишь от изменения параметров давления газов и обмена давлением с воздухом. С системой «Компрекс» возможно повышение крутящего момента на величину до 70 % по сравнению с моментом двигателя без наддува. В то же время максимум момента может быть расположен при частоте вращения, равной 0,5 от номинала. А это обеспечивает двигателю высокую приспособляемость, «эластичность». Как показывает анализ характеристики системы, грузовик с системой «Компрекс» в условиях пересечённой местности не требует большого числа переключений передач благодаря благоприятному протеканию кривой момента (высокий фактор устойчивости режима). При этом минимизируется и расход топлива.

Дополнительное достоинство — более высокое экологическое качество дизеля с системой «Компрекс». Оно достигается частично благодаря разжижению отработавших газов воздухом и некоторой возможности дожигания продуктов неполного сгорания уже в зоне ячеек ротора. Но важнее является то, что благодаря низкой инерционности процесса обмена давлением газов, по сравнению с инерционностью турбокомпрессора, все переходные режимы протекают при более высоком коэффициенте избытка воздуха, чем в дизелях с турбонаддувом. А значит, при более полном сгорании топлива в камере сгорания и т.д. Этот же фактор объясняет более высокую эксплуатационную топливную экономичность дизеля с системой «Компрекс».

По сравнению с объёмными компрессорами, размещение компрессора «Компрекс» на двигателе так же сложно из-за необходимости связи с валом двигателя. Однако «Компрекс» отбирает от вала двигателя весьма малое количество энергии.

Дополнительным достоинством системы является то, что для изготовления ротора и корпуса не требуется применение жаропрочных материалов. Так как ротор и корпус при работе попеременно омываются, то горячими выпускными газами, то холодным воздухом. По этой же причине корпус не требует системы охлаждения.

В то же время системе присущи и определённые недостатки, препятствующие её широкому распространению. Прежде всего это большие габариты и более высокая стоимость, по сравнению с турбонаддувом. В то же время следует отметить, что система «Компрекс» обеспечивает повышение мощности на 40% без применения промежуточного охлаждения воздуха, в то время как при турбонаддуве этот уровень повышения момента или мощности уже требует установки промежуточного охлаждения, а следовательно, холодильников, трубопроводов, т.е. и дополнительных габаритов, и повышенной стоимости.

Из-за необходимости связи ротора с валом двигателя возникают ограничения в размещении системы на двигателе. Возможности размещения турбокомпрессора конечно более широки.

Предполагается, что затраты на снижение шума в данном случае также будут более высоки, чем при турбонаддуве.

Пластинчатые компрессоры

Принцип работы пластинчатого компрессора основан на вращении ротора, эксцентрично размещённого в цилиндрическом корпусе, и перемещении пластин (лопаток), подвижных в этом роторе. Центробежные силы обеспечивают прижатие пластин к корпусу компрессора. Всасывание в компрессор происходит в процессе изменения его рабочего объёма от минимального до максимального, а нагнетание — после заданного сжатия воздуха и до момента уменьшения рабочего объёма до минимума. На рисунке показано, что компрессор содержит корпус 1 с впускным и выпускным окнами, ротор 2 и промежуточный поворотный корпус 3 с окнами для входа и нагнетания воздуха.

Схема разреза компрессора Cozette

Рис. Схема разреза компрессора Cozette:
1 — наружный корпус,
2 — ротор,
3 — цилиндр с окнами,
4 — лопатки,
5 — полости для лопаток в роторе.

Ротор размещён в корпусе с эксцентриситетом, содержит пластины 4, размещённые в пазах 5 ротора.

При вращении ротора вместе с промежуточным корпусом 3, его рабочие полости, расположенные между пластинами, ротором и корпусом, изменяют свои объёмы. На рисунке видно, что рабочий объём полости, расположенной в настоящий момент в верхней части, является наибольшим, а рабочий объём полости в нижней части — наименьшим. Справа на рисунке рабочие объёмы увеличиваются, а слева — уменьшаются. При этом происходит всасывание воздуха, как показано на рисунке, затем сжатие заряда в рабочей полости и нагнетание его во впускной коллектор двигателя. В простейшем варианте компрессор может не иметь корпуса 3. Пластины 4 могут двигаться относительно стенок самого корпуса 1. Однако при этом возникают проблемы с их износом, с уплотнением рабочих полостей, особенно при прохождении пластин у впускных и выпускных окон.

Известно, что машины такого типа применяются в качестве насосов для подачи жидкостей (масляные, топливные насосы и т.д.). В некоторых лёгких дизелях применяются топливные насосы такого типа для обеспечения достаточно высокого давления впрыскивания топлива. Особенность применения таких машин для подачи воздуха заключается в сложности организации смазки пластин (лопаток), т. к. подаваемый в дизель воздух должен быть чистым, без примесей масла, которое в цилиндре может создавать горючую смесь и самовоспламеняться в произвольный момент времени. Особую сложность составляет также проблема нагревания компрессора. Благодаря промежуточному корпусу 3 трение пластин о корпус отсутствует, что смягчает проблему перегрева.

Достоинством компрессора является возможность вращения его ротора синхронно с валом двигателя, благодаря соответствующей жёсткой их связи, что обеспечивает пропорциональное увеличение производительности компрессора с ростом потребности в наддувочном воздухе двигателя.

Кроме того, компрессор начинает подавать воздух мгновенно в начале вращения вала двигателя и, следовательно, самого компрессора. Конструкция компрессора сравнительно проста и дешева, а его габариты приемлемы для двигателей с наддувом. Пластинчатые компрессоры обеспечивают повышение давления наддува до 0,6 — 0,7 бар над уровнем атмосферного. В максимальных условиях можно достигнуть отношения рабочих объёмов 3:1 с уровнем адиабатического КПД порядка 0,4 — 0,5. Такие компрессоры часто применяются для наддува бензиновых ДВС. Успехов в создании таких машин, конкурирующих с лопастными компрессорами, достигли фирмы «Cozette», «Zoller» и «Powerplus». Фирмы «Centric» и «Bendix» усовершенствовали такие компрессоры, существенно снизив проблемы их смазки и охлаждения.

Однако, всё же проблемы ограничения максимально достижимой частоты вращения, проблемы смазки и охлаждения ограничивают его применение для наддува дизелей.

Основные типы компрессоров для наддува ДВС

Основной машиной для создания наддува ДВС является компрессор (или нагнетатель). Компрессор — это машина, которая обеспечивает подачу в двигатель определённого количества воздуха, причём повышенного давления, необходимого для наддува двигателя.

В настоящее время основным, наиболее распространённым агрегатом наддува, является турбокомпрессор, т. е. центробежный компрессор (лопаточная машина), получающая энергию (приводимая) от газовой турбины. Изучение таких турбокомпрессоров будет проведено далее. А пока рассмотрим другие возможные типы компрессоров.

Процесс сжатия в компрессоре может протекать по политропе с n<k (когда имеет место отвод тепла) или с n>k (подвод тепла во время сжатия). В обоих случаях работа компрессора и его КПД относятся к изоэнтропийному сжатию.

Известны четыре основных типа таких компрессоров, существенно отличающихся друг от друга как по конструкции, так и по характеристикам воздухоснабжения, которые они обеспечивают. Это следующие типы компрессоров:

  1. Поршневые компрессоры (или, иначе, компрессоры с возвратно-поступательно движущимися рабочими органами).
  2. Объёмные компрессоры (с вращающимися рабочими органами, называемые ещё ротационными).
  3. Центробежные и осевые компрессоры.
  4. Волновые обменники давлением.

Далее проведём изучение принципов выполнения и работы каждого из этих типов компрессоров, понимая, что основной интерес всё же заключается в изучении наиболее важных и распространённых турбокомпрессоров. Однако предварительное изучение работы других типов компрессоров облегчает понимание тех проблем, с которыми мы сталкиваемся при создании наддува двигателя с помощью турбокомпрессора. Оценка параметров работы компрессора производится по его характеристике, выражающей зависимость напора Н (или степени повышения давления P2/P1) при постоянных частотах вращения и постоянных КПД от объёмного расхода. (P.S. При постоянной температуре на входе в компрессор Н является функцией только Р2/P1). Другой вид характеристик — это зависимости P2/P1 в функции от частоты вращения (n) при постоянных массовых расходах и постоянных КПД

Модификации двигателей при применении наддува

При наддуве двигателя модификация его конструкции не ограничивается только установкой турбокомпрессора. Очевидно, что в той или иной степени требуется изменение систем топливоподачи, охлаждения, смазки, впуска и выпуска отработавших газов, камеры сгорания, клапанов, фаз газообмена, системы пуска.

Как отмечено выше, возможны принципиально две разные цели применения наддува. Если он применяется для повышения экономичности и улучшения экологических показателей, т. е. не происходит повышения мощности, то не требуется модификация системы топливоподачи, да и большинства других систем. Если же происходит повышение мощности двигателя, то приходится проводить модернизацию, модифицировать разные системы. Прежде всего, при повышенном наддуве штатный топливный насос, как правило, не может обеспечить необходимой производительности, поэтому приходится заменять штатный ТНВД насосом с большей производительностью. Как правило, при наддуве дизеля требуется уменьшать (на 1 — 2 градуса) угол опережения впрыскивания топлива для снижения жёсткости сгорания.

Установка турбокомпрессора приводит к росту температурной напряжённости всего двигателя, сам ТК имеет повышенные температуры, смазка ТК требует более тонкой очистки масла. В результате этого необходимо изменять систему смазки, необходимо устанавливать дополнительные фильтры тонкой очистки масла, повышать производительность масляного насоса (с целью увеличения скорости смены масла), выполнять дополнительные отстойники или холодильники масла.

Наибольших изменений при применении наддува требуют впускные и выпускные трубопроводы двигателя.

Силовая установка, с дизелем с газотурбинным наддувом

Рис. Силовая установка, с дизелем с газотурбинным наддувом:
ТК — турбокомпрессор,
М — подвод масла к турбокомпрессору,
ТМ — трубопровод слива масла из турбокомпрессора в картер двигателя.

На рисунке ниже показано сравнение внешнего вида выпускных коллекторов двигателя без наддува и с наддувом. В последнем случае выпускной коллектор становится сложнее. Выпуск из первых трёх цилиндров и остальных разделён на два канала. Это делается для сохранения энергии выпускных газов, т. е. для повышения мощности, развиваемой турбиной. Для рассмотренного 6-цилиндрового двигателя с порядком работы цилиндров 1-5-3-6-2-4 такое разделение коллектора позволяет организовать поступление волн давления выпускных газов в коллектор из цилиндров через 240 градусов поворота коленчатого вала.

Шестицилиндровый дизель до модернизации и после модернизации

Рис. Шестицилиндровый дизель до модернизации (1) и после модернизации (2) установкой турбонаддува:
А — выпускной коллектор,
ВХ — вход сжатого воздуха,
Ф — фильтр масляный,
Охл — вход воды охлаждения головки цилиндров.

В результате волны давления (импульсы) не накладываются на соответствующие волны снижения давления, не усредняются, энергия газов сохраняется высокой.

Для сохранения импульса давления в этом случае объём коллектора должен быть достаточно мал. Газовая турбина получается импульсной, наддув называют импульсным. Если же коллектор не разделяют, специально повышают его объём, то давление газов в коллекторе усредняется, становится практически постоянным, наддув называют наддувом при постоянном давлении. Система становится проще, но эффективность газовой турбины снижается.

Впускные коллекторы также претерпевают определённые изменения, поскольку по ним теперь приходится подавать большее количество воздуха. В коллекторах приходится устанавливать холодильники воздуха и т. д. Выпускные системы могут включать в себя также элементы преобразования импульсов давления выпускных газов (преобразователи импульсов, рисунок ниже), позволяющие сохранить высокую импульсность газов и поднять мощность газовой турбины.

Схема преобразователя импульсов

Рис. Схема преобразователя импульсов:
А — каналы выпуска отработавших газов из головки цилиндров,
В — зона повышения скорости газов,
С — вход газов в газовую турбину,
D — компенсатор термических расширений.

Камера сгорания дизеля при применении наддува низкого уровня может и не изменяться. Однако при достаточно высоком наддуве, когда при исходной степени сжатия чрезмерно повышается максимальное давление в цилиндре, приходится идти на уменьшение конструктивной степени сжатия (е). Чрезмерное повышение максимального давления (Pz) в цилиндре приводит к росту нагрузок на подшипники, на сам коленчатый вал. А значит, нужно практически полностью менять конструкцию дизеля. Чтобы этого избежать, приходится увеличивать объём сжатия Vc для уменьшения степени сжатия и снижения максимального давления. Несмотря на снижение степени сжатия в поршневой части машины, что в соответствии с термодинамикой должно привести к потере экономичности, к. п. д. дизеля с таким наддувом возрастает, т. к. можно сохранить суммарную степень сжатия, т. е. в турбокомпрессоре, а затем в поршневой части. Кроме того, благодаря сжиганию в цилиндре большего количества топлива сохраняется достаточно высоким максимальное давление, т. е. возрастает степень повышения давления при сгорании и растёт экономичность двигателя. Увеличение камеры сгорания приводит к увеличению «мёртвого» пространства над поршнем, увеличивается количество остаточных газов, ухудшается очистка цилиндра, снижается его наполнение. Необходимо оптимизировать фазы газообмена.

Поскольку в двигателе с наддувом в цилиндрах сжигается повышенное количество топлива, то термонапряжённость двигателя возрастает, возрастают температуры клапанов, особенно выпускного. Повышенный расход воздуха и газа требует большего времени на очистку, продувку, наполнение цилиндра. Необходимо увеличивать время перекрытия клапанов для лучшего охлаждения выпускного клапана, а также для лучшей продувки камеры сгорания, на что, конечно, затрачивается дополнительное количество воздуха. Фазы перекрытия клапанов должны быть согласованы с давлениями перед клапанами, чтобы избежать возможного выброса выпускных газов во впускной коллектор. Как правило, у двигателей с наддувом открытие впускных клапанов надо проводить раньше, а закрытие выпускных — позже, чем у двигателя без наддува. При этом закрытие впускных клапанов надо делать более поздним, а открытие выпускных — существенно более ранним. Всё это требует изменения профилей кулачков механизма привода клапанов. Аналогичные изменения надо проводить и в фазах газообмена двухтактных двигателей, что требует существенного изменения конструкции дизеля.

Система охлаждения двигателя с наддувом при низком уровне наддува может сохраняться без изменения. Но при повышенном наддуве, при необходимости охлаждения турбокомпрессоров, необходимости отвода большего количества тепла приходится увеличивать производительность системы.

Понижение степени сжатия приводит к проблемам с запуском дизеля, особенно при низких температурах окружающего воздуха. При пуске в камеру сгорания поступает воздух при параметрах, характерных для двигателя без наддува, а значит, давление и температуры сжатия оказываются чрезмерно низкими, не обеспечивающими самовоспламенение смеси при пуске. Для повышения температуры воздуха применяют специальные пусковые нагреватели во впускном коллекторе двигателя. Это усложняет двигатель, ухудшает наполнение цилиндра при нормальной работе. Существуют и другие методы повышения эффективности пуска двигателей с пониженными степенями сжатия.

Турбонагнетатели

В настоящее время наибольшее распространение среди агрегатов наддува нашли турбокомпрессоры (ТК) или, иначе, газотурбонагнетатели (ГТН). Агрегат является компактным, в массовом производстве сравнительно дёшев. Крупные мировые фирмы специализируются на их выпуске. На рисунке показана схема, разъясняющая работу агрегата:

Схема турбокомпрессора с разрезами

Рис. Схема турбокомпрессора с разрезами:
1 — подвод газов к турбине,
2 — выпуск из турбины,
3 — турбина,
4 — корпус с подшипниками ротора турбокомпрессора,
5 — нагнетание воздуха в двигатель,
6 — компрессор,
7 — впуск в компрессор,
8 — корпус (улитка) компрессора.

Отработавшие газы из цилиндра по трубопроводу 1 поступают к газовой турбине 3, где благодаря их повышенной температуре, высокой скорости истечения они производят работу и выбрасываются в атмосферу (2). Агрегат содержит корпус 4, где размещены подшипники ротора турбокомпрессора с подводом к ним и отводом масла.

Воздух по патрубку 7 всасывается в компрессор, который вращается газовой турбиной 3. Компрессор 6, размещённый в корпусе (улитке) 8, сжимает воздух и подаёт его по трубопроводу 5 к впускным каналам двигателя. Когда впускные клапаны двигателя открываются, воздух поступает на зарядку цилиндров. На первый взгляд, турбокомпрессор является довольно простой машиной. Однако если учесть, что для уменьшения габаритов инженеры всё время работают над повышением частоты вращения ротора ТК, то ясна будет ответственная роль агрегата. Сейчас достигнуты частоты вращения порядка 80000 — 120000 мин-1 , т. е. 1300 — 2000 с-1. Напряжённость агрегата возрастает и с ростом температур отработавших газов, которые достигли 750 °С. Всё это повышает также требования к системе смазки и охлаждения агрегата. Для решения всех этих задач в ТК применяют всё более современные материалы.

Методы организации наддува

Двигатель с наддувом отличается от двигателя без наддува лишь обязательным наличием компрессоров. Они могут быть разной конструкции, иметь разный принцип подвода энергии для их привода. В настоящее время наиболее распространённым является применение турбонаддува, т. е. применение центробежного компрессора с приводом от газовой турбины, которая получает энергию от отработавших газов дизеля (их называют также свободными турбонагнетателями, свободными газотурбонагнетателями, свободный наддув). На рисунке показана принципиальная схема такого метода наддува:

Принципиальная схема двигателя с турбонаддувом

Рис. Принципиальная схема двигателя с турбонаддувом:
1 — выпускной коллектор,
2 — газовая турбина,
3 — выпуск газов после турбины,
4 — вход воздуха в компрессор,
5 — центробежный компрессор,
6 — впускной коллектор,
7 — двигатель.

Видно, что отработавшие газы по выпускному коллектору 1 поступают на лопатки газовой турбины 2.

Турбина приводит во вращение центробежный компрессор 5. Воздух, сжатый в компрессоре, по впускному каналу 6 поступает в цилиндры двигателя 7.

Для наддува ДВС применяются также объёмные компрессоры. Схема одного из них, называемого компрессором типа «Рут», представлена на рисунке:

Общий вид конструкции объёмного компрессора (нагнетателя) типа

Рис. Общий вид конструкции объёмного компрессора (нагнетателя) типа «Рут»

Компрессор типа «Рут» широко применяется и в автотракторных дизелях, и на дизелях судового, тепловозного назначения. Такой компрессор, как правило, выполняется с приводом от коленчатого вала двигателя.

Компрессор, показанный на рисунке ниже, также является компрессором объёмного типа. Его лопатки могут перемещаться в пазах вращающегося ротора, который эксцентрично размещён в корпусе. Благодаря этому создаются эффекты всасывания и сжатия воздуха.

Схема компрессора с лопатками, утапливаемыми в ротор

Рис. Схема компрессора с лопатками, утапливаемыми в ротор (иногда называемого шиберным)

Центробежные компрессоры также могут применяться для механического наддува двигателей. На рисунке показана схема двигателя с таким наддувом:

Схема центробежного компрессора с приводом от коленчатого вала двигателя

Рис. Схема центробежного компрессора с приводом от коленчатого вала двигателя:
На рисунке обозначено:
Ц — цилиндр,
Вп — впускной коллектор,
К — компрессор с лопатками,
Вх — вход воздуха в компрессор,
М — мультипликатор (повышающий редуктор) привода центробежного компрессора К.

Связь компрессора с коленчатым валом осуществляется через мультипликатор М, который многократно повышает частоту вращения центробежного компрессора по отношению к частоте вращения вала двигателя.

Наддув дизелей и двигателей с внешним смесеобразованием и принудительным зажиганием

Известно, что для сжигания данного количества топлива в дизеле необходимо иметь определённый избыток воздуха. У автотракторных дизелей коэффициент избытка воздуха на номинальном режиме (аном) редко снижается ниже 1,4 — 1,5. У крупных дизелей (судовых, стационарных, тепловозных) удаётся организовать высокое качество смесеобразования лишь при аном = (1,6); 1,8 — 2,0; (2,4). Практически эти же требования сохраняются и для дизелей с наддувом. Поэтому система наддува должна обеспечивать повышенный расход воздуха для зарядки цилиндров. Применение наддува повышает тепловые нагрузки деталей, образующих камеру сгорания, особенно выпускного клапана. По-этому система наддува, как правило, проектируется для создания более высокого расхода воздуха, чтобы обеспечить некоторое охлаждение выпускного клапана продувочным воздухом (избыток воздуха для продувки цилиндра и охлаждения клапана).

Двигатели с внешним смесеобразованием работают на горючих смесях, близких по составу к стехиометрическим, т. е. при аном = 1,0, обычно без избытка воздуха. Это определяет необходимый расход воздуха при данном давлении. Давление наддува у таких двигателей должно быть ограничено. Так как при чрезмерно высоком давлении в процессе сжатия горючей смеси могут возникать проблемы с детонацией смеси, с детонационным износом и разрушением двигателя. У дизелей такой проблемы не существует. Поэтому степень наддува, величина давления наддувочного воздуха у дизелей может быть существенно, многократно выше, чем у двигателей с принудительным зажиганием и внешним смесеобразованием.

У дизелей из-за высокого уровня степени сжатия высокий наддув приводит к чрезмерно высоким давлениям в цилиндре. Т. е. высоким механическим нагрузкам. Для снижения этих нагрузок приходится снижать степень сжатия (до 14 — 10 и даже 7 — 5). При этом возникает проблема запуска дизеля и работы на малых нагрузках. При пуске, когда давление воздуха на входе в цилиндр равно атмосферному, низкая степень сжатия не обеспечивает получения достаточных для самовоспламенения топлива температур. То же может наблюдаться и при малых нагрузках, при «холодном» двигателе.

Наддув дизелей применяется для решения, в основном, следующих задач:

  1. для повышения к. п. д. дизеля и снижения токсичности и дымности его выбросов (отработавших газов);
  2. для повышения мощности дизеля.

В первом случае компрессор повышает давление воздуха на входе в двигатель на сравнительно небольшую величину, а подача топлива топливным насосом остаётся практически неизменной. Т. е. повышается коэффициент избытка воздуха, растёт к. п. д., снижаются температуры в цилиндре, уменьшается дымность ОГ и их токсичность. Во втором случае подача топлива топливным насосом увеличивается пропорционально увеличению расхода воздуха, пропорционально росту плотности подаваемого воздуха. Коэффициент избытка воздуха практически не меняется, к. п. д. может возрастать, растут температуры и давления в цилиндре, выбросы токсичных компонентов с ОГ, растёт мощность.