Наддув поршневых двигателей. Системы и схемы наддува. Пределы повышения мощности путем наддува

Размещено на http://www.allbest.ru/

Оглавление

Введение

1. Наддув

2. Виды наддува

3. Преимущества и недостатки различных видов наддува

4. Пределы повышения мощности путем наддува

Вывод

Используемая литература

Введение

Одним из актуальных вопросов современного мирового и отечественного автомобильного и тракторного двигателестроения является вопрос производства в России эффективных и надежных турбокомпрессоров, не- обходимых для выпуска двигателей, удовлетворяющих экологическим требованиям Евро-3 и выше.

В 90-е годы сформировалась и полностью апробирована ведущими мировыми производителями и разработчиками дизельных двигателей концепция о том, что система турбонаддува является неотъемлемым компонентом современного экологически чистого двигателя. При этом турбо- наддув, в отличие от 70-80-х годов, перестал рассматриваться как средство форсирования двигателей и практически 100% современных базовых моделей проектируются и разрабатываются только с наддувом. Экологические приоритеты при разработке в настоящее время дизелей являются определяющими, а требования по выполнению все время ужесточающихся норм приводят к пересмотру уже утвердившихся подходов к разработке двигателей, а также систем и агрегатов наддува. Изменения эти происходят во всем мире очень динамично и устоявшиеся в течение десятилетий подходы рушатся на наших глазах при переходе от норм Евро-2 к Евро-3, а перспективные требования по экологии на 10-15 лет вперед резко активизировали исследования по созданию и оптимизации систем и агрегатов наддува.

наддув двигатель агрегатный мощность

1. Наддув

Наддув -- увеличение количества свежего заряда горючей смеси, подаваемой в двигатель внутреннего сгорания, за счёт повышения давления при впуске. Наддув обычно применяют с целью повышения мощности (на 20-45 %) без увеличения массы и габаритов двигателя, а также для компенсации падения мощности в условиях высокогорья. Наддув с «качественным регулированием» может применяться для снижения токсичности и дымности отработавших газов. Агрегатный наддув осуществляется с помощью компрессора, турбокомпрессора или комбинированно. Наибольшее распространение получил наддув с помощью турбокомпрессора, для привода которого используется энергия отработавших газов.

Агрегатный наддув применяют почти на всех видах транспортных дизелей (судовых, тепловозных, тракторных). Наддув на карбюраторных двигателях ограничивается возникновением детонации. К основным недостаткам агрегатного наддува относят:

· повышение механической и тепловой напряжённости двигателя вследствие увеличения давления и температуры газов;

· снижение экономичности;

· усложнение конструкции.

Всё большее распространение на транспортных двигателях внутреннего сгорания получает динамический наддув, который при несущественных изменениях в конструкции трубопроводов приводит к повышению коэффициента наполнения до в широком диапазоне изменения частоты вращения двигателя. Увеличение при наддуве позволяет форсировать дизель по энергетическим показателям в случае одновременного увеличения цикловой подачи топлива или улучшить экономические показатели при сохранении мощностных (при той же цикловой подаче топлива). Динамический наддув повышает долговечность деталей цилиндро-поршневой группы благодаря более низким тепловым режимам при работе на бедных смесях.

2. Виды наддува

Со времени, когда очевидной стала необходимость применения наддува двигателей, появилось множество вариантов наддува. Основными видами наддува являются следующие:

Рисунок 1- Виды наддува

Системы наддува можно квалифицировать по:

1) способу подачи воздуха без нагнетателя за счет инерции столба самого воздуха или газа;

2) конструкции нагнетателя;

3) виду привода нагнетателя;

4) типу связи между наддувочным агрегатом и двигателем.

Инерционный наддув (без нагнетателя, называемый еще «резонансным», «волновым», «акустическим») осуществляется за счет колебания давления во впускном трубопроводе поршневого двигателя. Волна понижения давления во впускном трубопроводе у входа в цилиндр во время такта впуска со скоростью звука перемещается до противоположного открытого конца трубопровода, отражается от него и в виде волны давления движется опять же со скоростью звука ко впускному клапану. Выбирая длину трубопровода таким образом, чтобы волна давления подходила к заключительному периоду впуска, можно обеспечить подачу заряда в цилиндр под избыточным давлением, осуществляя тем самым наддув двигателя (Рисунок 2).

Рисунок 2- Схема впускного тракта 1- корпус воздухоочистителя или специальный резонатор

Необходимую для этого длину трубопровода l можно рассчитать по времени ф прохождения волны от клапана к открытому концу трубопровода и обратно.

Энергия для «разгона» столба воздуха во впускном трубопроводе берется за счет дополнительной работы поршня, т.е. за счет повышения насосных и механических потерь двигателя.

Инерционный наддув как самостоятельная система наддува применяется в двигателях легковых автомобилей. Длина впускного трубопровода может изменяться в зависимости от скоростного режима двигателя, обеспечивая тем самым высокое наполнение цилиндров двигателя в широком диапазоне режимов.

В сочетании с газотурбинным наддувом инерционный наддув применялся в дизелях грузовых автомобилей -- система комбинированного наддува Шера (Рисунок 3).

Уровень повышения давления наддува при инерционном наддуве сравнительно невелик, поэтому такие системы обычно используются не для повышения максимальной мощности двигателя, а для улучшения протекания характеристики крутящего момента.

Рисунок 3- Система комбинированного наддува, предложенная Г. Шером

Другой известный способ подачи воздуха в цилиндры двигателя под повышенным давлением -- это использование волн давления выпускных газов в газодинамической машине «Компрекс» (наименование «Comprex» происходит от английских слов compression - сжатие и expanding - расширение) (Рисунок 4).

Принцип действия этой системы основан на том, что волна давления, проходящая через канал трубопровода, отражается на свободном конце отрицательно, т.е. как волна разрежения, а на закрытом конце как волна давления, и, наоборот, всасывающая волна на открытом конце отражается как волна давления, а на закрытом конце -- как волна всасывающая.

Система «Компрекс» состоит из ротора с осевыми каналами -- ячейками трапецеидального сечения, открытыми с торцов. Ротор, укрепленный в подшипниках и окруженный кожухом, приводится во вращение через ременную передачу от коленчатого вала двигателя. Мощность, необходимая для вращения ротора, невелика, т.к. она расходуется только на преодоление трения в подшипниках и вентиляционных потерь.

Рисунок 4- Схема устройства системы наддува «Компрекс» 1 -- выпускной трубопровод; 2 -- впускной трубопровод; ВНД -- воздух низкого давления; ВВД -- воздух высокого давления; ГВД -- газ высокого давления; ГНД -- газ низкого давления; Р -- ротор.

Воздушные и газовые каналы сходятся на торцевых сторонах корпуса. Осевые каналы -- ячейки ротора -- совпадают поочередно то с торцевыми стенками корпуса нагнетателя, то с впускными или выпускными трубопроводами, ведущими либо к двигателю, либо к атмосфере через воздухоочиститель или глушитель.

Привод агрегатов наддува может осуществляться:

1) от коленчатого вала ДВС прямо или через отключаемое устройство («приводные нагнетатели»);

2) от постороннего источника энергии, например, так называемый «е-привод» - от электродвигателя («электроподдерживаемый наддув»);

3) от турбины, использующей энергию отработавших газов ДВС (турбокомпрессоры).

В качестве приводных нагнетателей используют либо объемные нагнетатели (поршневые, роторно-шестеренчатые (типа «Рутс»), роторновинтовые, роторно-пластинчатые (шиберные)), либо лопаточные (как правило, центробежные). В приводном нагнетателе типа «Рутс» (Рисунок 5) два ротора особой формы, оси которых связаны между собой, при помощи шестерен соединенные с ведущей шестеренкой нагнетателя, которая, в свою очередь, связана со шкивом, приводимым в движение коленчатым валом посредством ременчатой передачи. Вращающиеся в противоположных направлениях роторы буквально «всасывают» воздух через входное отверстие, проталкивая воздушные потоки в т. н. распределительный отсек.

Рисунок 5- Приводной нагнетатель типа «Рутс»

Другой представитель механических нагнетателей - винтовой (нагнетатель Линхольма) по своей форме и структуре очень похож на нагнетатель Рутса (Рисунок 6), но на поверку отличается от него кардинально.

Рисунок 6- Приводной нагнетатель Линхольма

Формы роторов винтового нагнетателя более заострены, а сами они напоминают саморезы или винты мясорубки. При вращении роторов воздух, попадающий внутрь нагнетателя, прогоняется через этот конвейер спиралей и к выходу из корпуса уже находится в сжатом состоянии. Кроме того, воздух сжимается уже внутри устройства, а это значит, что неоткуда будет взяться тем силам противодействия, что выталкивают воздух назад в нагнетателе типа «Рутс».

Приводные центробежные нагнетатели (Рисунок 7) выполнены в форме улитки и обладают примерно теми же свойствами, что и турбины.

Рисунок 7- Приводной центробежный нагнетатель

Воздух, попадая в корпус нагнетателя, подхватывается лопастями рабочего колеса и, раскручиваясь, центробежными силами прижимается к внешним стенкам корпуса. На этом этапе воздушный поток достигает огромной скорости, но пока его давление слишком мало. Затем при помощи диффузора достигается обратный эффект: при выходе из нагнетателя скорость воздушного потока уменьшается, а давление, наоборот, возрастает, за счет «поджимающего» сзади воздуха. Эффективность центробежных нагнетателей пропорциональна оборотам двигателя. На низких оборотах прирост мощности практически не ощущается (хотя он и больше, чем у той же турбины), зато на средних и высоких мощность взмывает вверх.

Двигатели с газотурбинным наддувом часто называют «турбопоршневыми двигателями» или «комбинированными двигателями».

У турбокомпрессора (Рисунок 8) колесо компрессора и колесо турбины сидят на одном валу. Энергия потока отработавших газов, которая в обычных двигателях не используется, преобразовывается здесь в крутящий момент - выходящие из цилиндров двигателя отработавшие газы подаются на колесо турбины, где их кинетическая энергия преобразуется в механическую энергию вращения (крутящий момент). Колесо компрессора засасывает свежий воздух через воздушный фильтр, сжимает его и подает в цилиндры двигателя. Количество топлива, которое можно смешать с воздухом, при этом можно увеличить, что позволяет двигателю развивать большую мощность. Существует также множество других конструкций турбокомпрессоров.

Рисунок 8- Турбокомпрессор

3. Преимущества и недостатки различных видов наддува

Наддув приводными объемными нагнетателями обеспечивает быстрое реагирование на изменение скоростного режима двигателя.

Недостатки способа -- большие механические потери на малых нагрузках, сравнительно большие размеры и масса агрегатов наддува, наличие механической передачи, зачастую сложность размещения на двигателе. В значительной мере это относится и к центробежным приводным нагнетателям. Для наиболее рационального использования приводных объемных нагнетателей необходимо устройство, обеспечивающее отключение их от двигателя при малых нагрузках, когда нет необходимости в наддуве. Кроме того, механические нагнетатели снижают к.п.д. двигателя, т.к. на их привод расходуется часть мощности силового агрегата.

К достоинствам объемного нагнетателя типа «Рутс» относятся высокая эффективность на малых и средних оборотах, долговечность конструкции и низкий шум. Однако, при достижении определенного давления воздух начинает просачиваться назад, снижая к.п.д. системы.

Винтовые нагнетатели типа «Лисхольм» эффективны практически во всем диапазоне оборотов двигателя, компактны, бесшумны, но очень сложны в изготовлении, следовательно, дороги.

Волновые обменники «Компрекс» хотя и обеспечивают быстрое реагирование на изменение режима ДВС, не способны развивать высокие давления наддува, громоздки, требуют механического привода.

Наиболее удачным оказался газотурбинный наддув в широком диапазоне размеров ДВС от мотоциклетных до судовых мощностью в десятки тысяч киловатт. Преимущества этого вида наддува: более полное использование энергии топлива за счет расширения полезной площади термодинамического цикла, автоматическая подстройка (хотя и не всегда достаточная для транспортных двигателей) к изменению режима работы ДВС, сравнительно малые размеры и масса, относительная свобода размещения на двигателе. Недостатки турбонаддува - ухудшение приемистости двигателя -- в значительной мере нивелируются применением специальных мер регулирования давления наддува, уменьшением инерции вращающихся частей турбокомпрессоров.

4. Пределы повышения мощности путем наддува

Уменьшение теплоиспользования и механического к. п. д. приводит к тому, что мощность увеличивается медленнее, чем давление наддува'; в частности, при переходе от питания без наддува к питанию с наддувом 2 ата мощность увеличивается не вдвое, а приблизительно на 80%.

Отсюда возникает вопрос, каков целесообразный предел повышения давления наддува и не наступит ли такой момент, когда улучшение наполнения окажется не в состоянии компенсировать затрату мощности на нагнетатель и ухудшение теплоиспользования.

Результаты аналитического исследования этой проблемы подтверждают такие опасения и могут быть представлены графически (рис. 77).

Кривая р_е дает изменение среднего эффективного давления в зависимости от давления наддува, отложенного по оси абсцисс, без учета затраты мощности на привод нагнетателя. Кривая р_ек изображает часть среднего эффективного давления, затрачиваемого на привод; нагнетателя, также в зависимости от давления: наддува. Как видно по графику, рост р_ек вначале отстает от роста р_е, а при дальнейшем увеличении давления наддува разрыв между этими величинами быстро уменьшается. Чтобы получить среднее эффективное давление, соответствующее эффективной мощности двигателя, достаточно отнять от ординат кривой р_е ординаты кривой р_ек. Тогда получим кривую р_е. изменения среднего эффективного давления двигателя в зависимости от давления наддува. Точкой перегиба а определяется наивыгоднейшее давление наддува -- около 5 ата, при котором среднееэффективное давление и мощность достигают максимума. График рис. 77 построен из расчета сохранения конечного давления сжатия равным 16,7 am при4 различных давлениях наддува; это соответствует степени сжатия е = 7,5 для двигателя без наддува. Повышенным давлениям наддува соответствуют уменьшенные степени сжатия; для критического давления наддува 5 атм степень сжатия е = 2,3. Кроме конечного давления сжатия, в основу графика положены еще другие конкретные данные. Поэтому нельзя считать 5 атм наивыгоднейшим давлением наддува для всех типов двигателей. Точные вычисления критического давления наддува вообще едва ли возможны, так как весьма трудно» учесть все условия работы машины, свойства топлива и тем более конструктивные особенности двигателя. Поэтому рис. 77 приводится только для того, чтобы показать существование предела увеличения мощности двигателя, снабженного приводным нагнетателем. В настоящее время применяются более низкие давления наддува по сравнению с предельным; значением, полученным на графике.

Следует заметить, что даже если не учитывать потерю мощности на привод нагнетателя, мощность двигателя все же не будет повышаться безгранично, так как чем сильнее сжимают горючую смесь в нагнетателе, тем меньшую степень сжатия можно использовать в двигателе при определенной детонационной стойкости топлива и, следовательно, в предельном случае все сжатие смеси происходит в нагнетателе, а степень сжатия (и степень: расширения) двигателя равна единице; при этом мощность двигателя равна нулю.

Таким образом, улучшение наполнения при наддуве компенсирует ухудшение термического к. п. д. и затрату мощности на нагнетатель только до некоторого значения давления наддува.

Вывод

Итак: цель наддува ДВС -- повышение его удельной (отнесенной к единице рабочего объема цилиндров, массы, габаритов) мощности за счет увеличения подачи топлива и соответственно требуемой для его сгорания массы воздуха. Увеличение удельной мощности ДВС позволяет сохранить его размеры и массу, стоимость, а также размеры и массу транспортного средства, на котором установлен двигатель, увеличить грузоподъемность, скорость.

Наддув ДВС с искровым зажиганием, как правило, с охлаждением наддувочного воздуха, повышает удельную мощность ДВС и улучшает динамические качества автомобиля.

В ряде стран автомобили с двигателями с наддувом и малым рабочим объемом цилиндров облагаются меньшими налогами. Увеличение коэффициента избытка воздуха при наддуве дизелей (особенно с охлаждением наддувочного воздуха) позволяет повысить эффективный к.п.д. (снизить удельный расход топлива) двигателя, а главное - уменьшить вредные выбросы с отработавшими газами.

Газотурбинный наддув уменьшает шум выпуска.

Использованная литература

1. Б.Н. Давыдков В.Н. Каминский Системы и агрегаты наддува транспортных двигателей- учебное пособие Москва 2011 год

2. wikipedia.org/wiki/Наддув

3. lada-vfts.ru

Размещено на Allbest.ru