- Мал. 1. Турбонагнетатель Еберспехер для наддуву малих двигунів
- Мал. 2. Турбонагнетатель Томпсон для бензинового двигуна
- Мал. 3. Принцип дії, пристрій і схема наддуву двигуна Компрекс
Наша сеть партнеров Banwar
Примусове нагнітання повітря в циліндри двигуна - ефективний метод збільшення його потужності. Потужність, що розвивається двигуном, залежить головним чином від маси повітря, що надходить в циліндри за одиницю часу. Подача ж в циліндри необхідної кількості палива не представляє ніяких труднощів. Кількість повітря, що надходить в циліндри, залежить від робочого об'єму циліндрів, частоти обертання колінчастого вала і об'ємного ККД (коефіцієнти наповнення). При цьому робочому об'ємі двигуна і коефіцієнті наповнення збільшити масу повітря, що проходить через циліндри двигуна за одиницю часу, можна збільшенням частоти обертання колінчастого вала, але межею тут є допустиме значення середньої швидкості поршня.
Ще один шлях збільшення потужності двигуна полягає в підвищенні масового наповнення циліндрів, нагнітаючи повітря в циліндри примусово. За допомогою компресора можна без особливих труднощів збільшити потужність двигуна на 25%, а з використанням проміжного охолодження повітря пості компресора - на 100% і більше, при цьому розміри і маса двигуна збільшуються досить незначно. Цей метод форсування двигунів дуже перспективний і заслуговує найпильнішої уваги, тим більше що він має ще одне дуже серйозне гідність - двигун може працювати на робочих сумішах з великим надлишком повітря (на бідних сумішах), що призводить до зниження вмісту токсичних речовин у відпрацьованих газах.
Наддувши за допомогою компресора, що приводиться від колінчастого вала, не дозволяє поліпшити економічність двигуна, так як при цьому не використовується енергія відпрацьованих газів. Робоча суміш (або повітря) стискається спочатку в компресорі, потім ще в циліндрах двигуна, а розширюється тільки в циліндрах двигуна. Тому відпрацьовані гази, залишаючи циліндри, забирають з собою багато енергії, так як вони мають високу температуру і тиск. Як відомо, максимальна величина ступеня стиснення обмежена межею виникнення детонації. Якщо робоча суміш перед надходженням в циліндри спочатку стискається в компресорі, вона сильно розігрівається і при подальшому стисненні в циліндрах детонація виникає швидше. Тому в двигунах з наддувом з метою уникнення можливих детонації необхідно зменшити ступінь стиснення. Застосування наддуву дозволяє збільшити літрову потужність двигуна, але з іншого боку зниження ступеня розширення газів (вони розширюються тільки в циліндрах) призводить до погіршення теплового ККД двигуна і збільшення питомої витрати палива.
Тому набагато більш вигідним з точки зору економічності двигуна є нагнітання повітря в циліндри за допомогою турбонагнетателя, т. Е. Компресора, що приводиться турбіною, що працює на відпрацьованих газах двигуна. Ступінь стиснення (а значить і розширення) доводиться зменшувати і в цьому випадку, але відпрацьовані гази, що виходять з циліндрів при великому тиску і температурі, можуть виконати певну роботу в газовій турбіні. Тому тепловий ККД такого двигуна знижується незначно і більш того, питома витрата палива іноді виходить дещо меншим.
При високому тиску наддуву доцільно охолоджувати повітря після компресора, перш ніж він надійде в циліндри двигуна, щоб робота, що витрачається на стиснення повітряного заряду не дуже збільшувалася. У бензинових двигунах температура повітря в циліндрах обмежена межею детонації. Висока температура відпрацьованих газів також небажана, оскільки при цьому зростає робоча температура лопаток турбіни. Максимальна допустима температура лопаток турбіни залежить від жароміцності матеріалу, з якого вони виготовлені, та коливається в межах 900 ° С. З іншого боку, чим вище ця температура, тим вище ефективність роботи турбонагнетателя. У дизелях турбіна працює з температурами відпрацьованих газів до 600 ° С. Температура відпрацьованих газів бензинових двигунів вище - 700-1000 ° С, в зв'язку з чим вимоги до матеріалу лопаток більш жорсткі. У міру вдосконалення авіаційних газових турбін удосконалювався і матеріал для лопаток турбін. Це дозволило всерйоз почати роботу над наддувом у бензинових двигунів.
Турбонагнетатель для наддуву автомобільного двигуна, що працює на відпрацьованих газах, зображений в розрізі на рис. 1.
Мал. 1. Турбонагнетатель Еберспехер для наддуву малих двигунів
Цей турбонагнетатель виробництва фірми Еберспехер призначений для наддуву малих дизелів і має два вхідних каналу в турбіну для можливості кращого використання імпульсів тиску у випускному трубопроводі. Турбіна в даному випадку центростремительная, т. Е. Відпрацьовані гази надходять до колеса турбіни зовні і рухаються у напрямку до центру і виходять уздовж осі турбіни. На малюнку добре видно направляючі лопатки для організації потоку відпрацьованих газів перед входом в колесо турбіни.
Компресор - відцентровий. Засмоктуваний повітря надходить до колеса компресора в центрі і виходить під впливом відцентрових сил від периферії колеса в безлопаточний дифузор. Зображений на малюнку турбокомпресор призначений для установки на двигун потужністю 110 кВт (150 л. С.) І важить близько 16 кг. Максимальна частота обертання валу турбонагнетателя в залежності від його розмірів може становити від 50000 до 100000 об / хв.
Вирішення питання турбонаддува бензинових двигунів пов'язано з більш складними проблемами, ніж наддув дизелів. При високих частотах обертання турбонагнетатель подає занадто багато повітря, що веде до занадто крутий зовнішній характеристиці двигуна. У дизелях потужність при високих частотах обертання обмежується дозуванням палива і двигун працює з великим надлишком повітря. У бензинових двигунах, де компресор нагнітає в циліндри вже готову топливовоздушную суміш, регулювання потужності зміною якісного складу суміші неможлива, тому що занадто бідна суміш може просто не спалахнути, а при подачі суміші нормального якісного складу виникає необхідність зниження тиску і температури газів в камері згоряння у уникнути виникнення детонації. Тому для зниження температури газів в камері згоряння іноді застосовують рециркуляцію частини стислій суміші на вході в компресор, що дозволяє регулювати тиск наддуву.
Цікавий спосіб подачі повітря в циліндри двигуна застосований на двигуні з повітряним охолодженням моделі Шевроле Корво. Ця фірма одна з перших запровадила в серійне виробництво турбонаддув бензинових двигунів. В даному двигуні компресор спроектований таким чином, щоб, починаючи з певного режиму, відповідного максимальному крутному моменту двигуна, продуктивність компресора штучно обмежувалася, тим самим запобігаючи збільшення тиску наддуву. Однак це зниження ефективності компресора призводить до збільшення питомої витрати палива. Але з огляду на, що автомобіль рідко використовує максимальну потужність, це збільшення питомої витрати палива не призводить до значного збільшення середньої витрати палива.
Поперечний переріз турбокомпресора виробництва фірми Томпсон для двигуна Корво показано на рис. 2.
Мал. 2. Турбонагнетатель Томпсон для бензинового двигуна
Діаметр колеса компресора становить лише 76 мм. Вал турбонагнетателя, частота обертання якого дорівнює близько 80000 об / хв, встановлений в розрізних алюмінієвих втулках. З боку компресора агрегат ущільнений від витоків масла графітовим кільцем, а з боку турбіни - кільцем типу поршневого. З лівого боку (на малюнку) турбіна теплоізольована від корпусу компресора і особливо від підшипників чавунної пластиною. З'єднання чавунного картера турбіни з алюмінієвим корпусом компресора вироблено за допомогою кільця, яке також знижує теплопередачу. Максимальний тиск наддуву одно 0,07 МПа (0,7 кг / см²) при частоті обертання двигуна 3500 об / хв, далі залишаючись постійним. Тиск наддуву використовується для регулювання кута випередження запалювання.
Останнім часом турбонаддув застосовують і на двигунах гоночних автомобілів.
Компрекс є спосіб примусової подачі повітря в циліндри. Він заснований на використанні енергії відпрацьованих газів, але без обертових турбіни і компресора. Схематично цей спосіб наддуву зображений на рис. 3.
Мал. 3. Принцип дії, пристрій і схема наддуву
двигуна Компрекс
1 - випускний трубопровід; 2 - впускний трубопровід; 5 - вихід з ротора в випускний трубопровід; 4 - підведення повітря від фільтра.
Основною частиною пристрою є ротор з поздовжніми і відкритими з обох кінців каналами, що з'єднують впускні і випускні трубопроводи. Коли під час обертання ротора відкривається канал, що з'єднується з випускним трубопроводом А двигуна, відпрацьовані гази надходять в канал ротора і витісняють з них повітря у впускний трубопровід Б і далі в циліндри двигуна. При подальшому повороті ротора спочатку перекривається доступ відпрацьованих газів в канал, а стиснене повітря може ще протягом деякого часу виходити у відкритий впускний трубопровід. Незабаром після закриття каналу, ведучого у впускний трубопровід, відкривається канал, що з'єднується з випускним трубопроводом 1, в якому тиск газів нижче. Тому відпрацьовані гази, стислі в поздовжніх каналах, розширюються і по випускного трубопроводу 1 виходять в атмосферу. Коли тиск в поздовжньому каналі знизиться, відкриється інший кінець каналу, ведучий у впускний трубопровід 2, і під дією виникаючої хвилі розрідження в канал з атмосфери засмоктується нова порція свіжого повітря. В результаті поздовжній канал очиститься від відпрацьованих газів і наповниться чистим повітрям. Тривалість відкриття каналів повинна бути такою, щоб відпрацьовані гази не проникли у впускний трубопровід.
Частота обертання ротора пристрої Компрекс і довжина поздовжніх каналів в роторі підбираються з таким розрахунком, щоб хвиля тиску встигла пройти протягом часу відкриття каналу з одного його кінця до іншого. Для того щоб частота обертання ротора не вийшла дуже великий, на кожній стороні ротора є два входи і два виходи. За один оборот ротора хвиля тиску в обох напрямки проходить двічі. Раніше привід ротора нагнітача Компрекс здійснювався від колінчастого вала за допомогою клиноремінного варіатора; в даний час привід ротора здійснюється за допомогою клинопасової передачі з постійним передавальним відношенням, при цьому максимальна частота обертання ротора становить 14000 об / хв.
Нагнетатель Компрекс поєднує гідності турбонагнетателя - низька питома витрата палива і малі габарити - і нагнітача з механічним приводом - плоску криву крутного моменту з максимумом при низьких частотах обертання, а також швидку реакцію на зміну частоти обертання двигуна. Розрахунок системи наддуву Компрекс досить трудомісткий, і розробка її заснована більше на експериментальних доведеннях.
Ще про пристрій, ремонті, обслуговуванні і експлуатації автомототехники