Avtoargon.ru

АвтоАргон
1 просмотров
Рейтинг статьи
1 звезда2 звезды3 звезды4 звезды5 звезд
Загрузка...

Что такое наддув двигателя внутреннего сгорания

Что такое наддув двигателя внутреннего сгорания

  • О ДВС
  • История ДВС
  • Техническая информация
  • Двигатель года
  • Надежность
  • Долговечность
  • Сгорание
  • Контакты
  • Экономичность
  • Холодный пуск
  • Двигатели с турбонаддувом
  • Регулируемые системы газораспределения
  • Токсичность двигателей внутреннего сгорания
  • Динамика и конструирование
Наддув бензиновых двигателей (часть 3)
Экономичность

Применение эжекционного наддува ограничивается не только из-за усложнения конструкции двигателя. При наличии ресивера высокого давления не исключена возможность взрыва при аварии автомобиля, что необходимо учитывать при установке ресивера. Кроме того, во время осуществления автомобилем обгона может кончиться запас сжатого воздуха, поэтому требуется система сигнализации, предупреждающая водителя об уменьшении давления в ресивере.

Рассмотрим перспективы применения наддува в бензиновых двигателях. Раньше наддув применялся в бензиновых двигателях, как правило, с целью повышения их литровой мощности и, как: следствие этого, скоростных и динамических качеств автомоби­лей. В настоящее время решающее значение для применения над­дува, в особенности в серийных моделях, приобретает улучшение топливной экономичности автомобиля. Улучшение топливной экономичности двигателя при наддуве объясняется главным образом тем, что при одних и тех же мощностных показателях двигатели с наддувом имеют меньшие рабочие объемы по сравнению с дви­гателями без наддува. Следствием этого является более рацио­нальная загрузка двигателя на частичных нагрузках, уменьшение газодинамических потерь, а также снижение массы двигателя и автомобиля в целом, несмотря на установку агрегатов наддува. Повышению топливной экономичности двигателей с наддувом способствует и их устойчивая работа на переобедненных смесях. По данным расчетов применение турбонаддува позволяет увели­чить эффективный КПД двигателя на 15 % при нагрузке, состав­ляющей 0,25 % полной.

Вместе с тем применение наддува в бензиновых двигателях вызывает необходимость решения ряда проблем, так как повышение давления и температуры газов при сгорании сопровождается увеличением выброса окислов азота. Использование наддува в двигателях с искровым зажиганием связано с опасностью возник­новения детонации и калильного зажигания. Снижение требова­ний к октановому числу топлива для двигателей с наддувом до последнего времени достигали обычно путем уменьшения степе­ней сжатия, что хотя и приводило к снижению механических на­грузок на подвижные детали двигателя, но вызывало ухудшение его топливной экономичности.

В карбюраторных двигателях при использовании наддува в случае установки карбюратора после турбокомпрессора требует­ся герметизация карбюратора, повышение давления подачи топ­ливным насосом, введение дополнительных устройств для регули­ровки состава горючей смеси, учитывающих давление и темпера­туру подаваемого воздуха. При установке карбюратора перед турбокомпрессором необходимо предотвратить попадание масла из смазочной системы подшипников турбокомпрессора и возник­новение явлений помпажа на режимах глубокого дросселирования, учитывать возможность обратных «хлопков» во впускной системе и т. д.

Динамический наддув

Все рассмотренные выше системы наддува требуют применения того или иного агрегата наддува, специальных дополнительных устройств. Очевидно, что для двигателиста представляет интерес повышение мощности двигателя без применения дополнительных технических средств, а лишь путём использования явлений, свойственных самому двигателю. Известно, что в трубопроводах двигателя при его работе наблюдаются определённые волновые процессы. Именно эти явления и используются, чтобы получить повышение давления воздуха в цилиндре, т. е. осуществить динамический наддув. Динамический наддув – это увеличение наполнения цилиндра за счёт волн давления во впускном трубопроводе. На рис. 8.22 представлены зависимости объёмного коэффициента наполнения двигателя в зависимости от показателя, пропорционального частоте вращения n вала двигателя. Показатель включает также длину каждого впускного трубопровода (L) и скорость звука в воздухе трубопровода (Vв). Показано, что коэффициент наполнения возрастает с определённым колебательным процессом со снижением показателя (nL)/Vв. Здесь же указаны гармоники (К) и частоты (f) колебаний воздуха в трубопроводе.

Рис. 8.22. Зависимость коэффициента наполнения hv и частоты f колебаний воздуха от частоты вращения n вала двигателя, длины L впускного трубопровода и скорости звука Vв для воздуха. К – порядок гармоники, fо – основная частота колебаний.

Показано, что для 1-й гармоники колебаний столба воздуха наполнение теоретически становится равным нулю. Реальные величины повышения наполнения видны на рис.8.23, где показано, что для реального двигателя мощностью 150 кВт и номинальной частотой вращения 2400 мин -1 при длине впускного трубопровода 1650 мм работа с частотой вращения 1500 мин -1 сопровождается повышением наполнения на 12%.

Рис. 8.23. Реальные и расчётные коэффициенты наполнения в зависимости от частоты вращения n, вала двигателя.

Однако это достигается ценой того, что при частоте 1700 мин -1 наполнение снижается, причём существенно ниже очередного экстремума при частоте вращения 1900 мин -1 . Для того, чтобы избежать этого недостатка, можно использовать телескопические впускные трубопроводы, т. е. такие, длина которых изменяется в соответствии с рабочим скоростным режимом.

Другим вариантом является применение двух впускных трубопроводов на каждый цилиндр (если в головке двигателя размещены по два впускных клапана). Как показано на рис. 8.24, трубопроводы выполнены разной длины.

Рис. 8.24. Схема системы динамического наддува.

Двигатель имеет по два всасывающих трубопровода на каждый цилиндр. Длина первого трубопровода L (1) = 1650 мм, а второго – L (2) = 1414 мм.

Суммарный результирующий коэффициент наполнения превышает получаемый без динамического наддува. Очевидно, что определённую проблему представляет размещение этих трубопроводов на двигателе. Как показано на рис. 8.25, скоростная характеристика по моменту для дизеля с динамическим наддувом имеет вид, сходный с характеристиками бензиновых двигателей.

Рис. 8.25. Характеристика дизеля с динамическим наддувом.

Коэффициент приспособляемости существенно повышен.. А для бензиновых ДВС с таким наддувом она отличается ещё более высоким коэффициентом приспособляемости.

Таким образом, динамический наддув применим с целью достижения наибольшего выигрыша по возрастанию коэффициента наполнения на данном скоростном режиме. Уход из зоны максимальной эффективности использования колебательных процессов во впускном трубопроводе приводит к потере коэффициента наполнения и соответственно к снижению развиваемого момента.

1. Двигатели внутреннего сгорания: Теория поршневых и комбинированных двигателей. Учебник для втузов по специальности “Двигатели внутреннего сгорания”/Д. Н. Вырубов, Н. А. Иващенко, В. И. Ивин и др.; Под ред. А. С. Орлина, М. Г. Круглова. – 4-е изд., перераб. и доп. – М.: Машиностроение, 1983. – 372 с., ил.

2. Патрахальцев Н.Н. Наддув двигателей внутреннего сгорания. Учебное пособие. М. Изд-во РУДН. 2003. (То же от 2006 г.)

3. Орлин А. С. и Круглов М. Г. Комбинированные двухтактные двигатели. М., “Машиностроение”, 1968, 576 с.

4. Циннер К. Наддув двигателей внутреннего сгорания = Aufladung von Verbrennungsmotoren: Перевод с немецкого/Под ред. д-ра техн. наук Н. Н. Иванченко.- Л., Машиностроение. Ленингр. отд-ние. – 264 с., ил.

5. Miguel de Castro. Motor Diesel. Turbo Sobrealimentacion de motores. EDICIONES CEAC, S. A. Peru, 164 – 08020 Barcelona (Espana). 1988, 371 с.

6. Тепловозные двигатели внутреннего сгорания: Учебник для вузов/А. Э. Симсон, А. З. Хомич, А. А. Куриц и др., — 2-е изд., перераб. и доп. М.: Транспорт, 1987. 536 с.

7. Азбель А. Б., Белоусов В. И., Самохвалов Н. А. Системы и агрегаты газотурбинного наддува двигателей промышленных тракторов. М.: ЦНИИТЭИ тракторосельмаш, 1982, вып. 16, 56 с.

8. Крутов В. И., Рыбальченко А. Г. Регулирование турбонаддува ДВС. – М.: Высшая школа, 1978, 213 с.

Нам важно ваше мнение! Был ли полезен опубликованный материал? Да | Нет

Что такое наддув двигателя внутреннего сгорания

По сравнению с четырехтактным двигателем со свободным вса­сыванием или с двухтактным, имеющим только продувку, в двигателе с наддувом благодаря сжатию заряда увеличивается его количество, вследствие чего повышается и мощность. Наддув есть сжатие всего или части заряда за пределами рабочего цилин­дра с целью увеличения наполнения цилиндра. Таким образом, при наддуве заряд сжимается как за пределами цилиндра, так и в цилиндре.

Для комбинированного способа характерно связанное с полу­чением полезной мощности двух- или многоступенчатое расширение, в то время как сжатие не обязательно должно быть многоступенча­тым. Однако в практике всегда встречаются комбинированные двигатели с наддувом, т. е. имеющие многоступенчатое сжатие.

Смысл и цель наддува заключаются в повышении мощности при данных размерах двигателя без увеличения частоты вращения. Как посредством наддува, так и вследствие более высокой частоты вращения в двигатель подается большее количество воздуха или заряда в единицу времени, мощность при этом приблизительно пропорциональна расходу воздуха. В обоих случаях повышение мощности наталкивается на определенные границы, которые обус­ловлены уровнем развития. Мощность двигателя внутреннего сго­рания

при этом константы С 1 и С 2 зависят от системы мер и тактности двигателя. Здесь N е — эффективная мощность; z — число цилин­дров; V h — рабочий объем цилиндра; р е — среднее эффективное давление; п — частота вращения; S — ход поршня; F п — площадь поршня; с т — средняя скорость поршня.

У данного двигателя, для которого z , F п и S неизменны, мощ­ность можно повысить увеличением п или с т , а также увеличением р е . При повышении частоты вращения п или соответственно сред­ней скорости поршня с т возрастают вызванные силами инерции напряжения пропорционально с т 2 . Повышение среднего эффектив­ного давления р е путем наддува приводит к росту газовых сил (максимального давления сгорания), последние возрастают ли­нейно с увеличением количества заряда, т. е. с повышением мощ­ности; при этом индикаторная диаграмма благодаря наддуву становится полнее. Начиная с определенного уровня воздействие сил от давления газов легче преодолимо, чем сил инерции.

Термическая напряженность повышается как. с увеличением частоты вращения, так и с увеличением степени наддува примерно в равном соотношении с повышением мощности. Высокие средние скорости поршней обусловливают необходимость иметь небольшую массу деталей кривошипно-шатунного механизма, что достигается хорошо отработанной конструкцией и высококачественными мате­риалами. Наддув же выдвигает требование усиления конструкции для воспринятая повышенных давлений газов. Несмотря на то, что при наддуве удельная масса, как правило, уменьшается, — мощность возрастает сильнее, чем соответственно требуемое при­ращение общей массы, — это приводит к созданию более надежных в эксплуатации двигателей.

Обратное воздействие увеличения мощности посредством над­дува с одной стороны и посредством форсировки по частоте враще­ния с другой стороны может быть пояснено следующим упрощен­ным сравнением. Средние эффективные давления от 10 бар (четы­рехтактные двигатели с принудительным зажиганием без наддува) до 12 бар (четырехтактные дизели с умеренным наддувом), равно как и средние скорости поршней, от 10 м/с (дизели на грузовом автотранспорте) до 14 м/с (карбюраторные двигатели на легковых автомобилях), характеризуют технический уровень современных двигателей. А средние скорости поршней от 20 м/с и выше встре­чаются лишь на двигателях гоночных автомобилей, т. е. на двига­телях, которые отдают высокую мощность кратковременно и кото­рые могут иметь небольшие межремонтные периоды. В то же время средние эффективные давления от 18 до 20 бар и выше при умерен­ных значениях средней скорости поршня применяются на четырех­тактных дизелях, имеющих наиболее высокие длительные нагрузки (в частности, на судовых дизелях).

Преимущества наддува при заданной мощности:

1) меньшие габариты: двигатель короче из-за меньшего числа цилиндров;

2) меньшая масса двигателя и соответственно меньшая удель­ная масса на единицу мощности;

3) более высокий к. п. д. двигателя при турбонаддуве;

4) меньшая стоимость на единицу мощности, особенно у высо­комощных двигателей;

5) холодильники меньших размеров, поскольку при одинаковой мощности необходимо отводить меньше тепла, чем у двигателя без наддува;

6) газовая турбина сама по себе заметно снижает шум выхлопа;

7) меньшее падение мощности при понижении плотности окру­жающего воздуха;

8) лучшее качество отработавших газов при неизменном спо­собе организации рабочего процесса.

К недостаткам наддува относятся:

1) более высокие механические и тепловые нагрузки, чем у двигателей без наддува;

2) при определенных условиях менее благоприятное протекание кривой крутящего момента двигателя, особенно при высоких сте­пенях наддува;

3) при определенных условиях худшая приемистость.Последние два недостатка характерны только для турбонаддува.

Системы наддува можно классифицировать по:

1) виду привода нагнетателя;

2) конструкции нагнетателя;

3) типу связи между над­дувочным агрегатом и двигателем;

4) принципу действия двигателя.

Привод нагнетателя может осуществляться:

а) от постороннего источника (вспомогательный двигатель, электродвигатель) — по­сторонний наддув;

б) от самого двигателя (мощность отбирается от коленчатого вала) — механический наддув;

в) от турбины, приво­димой выпускными газами — турбонаддув;

г) без нагнетателя по­средством обменника давления — способ «Компрекс».

а) объемные нагнетатели: поршне­вые и роторные, например воздуходувка типа Рут, винтовой ком­прессор и др.;

б) лопаточные нагнетатели: радиальные, осевые или полуосевые.

Тип связи между наддувочным агрегатом и двигателем и способ отбора мощности:

а) нагнетатель соединен с валом двигателя, тур­бина отсутствует, отбор мощности от коленчатого вала — механи­ческий наддув;

б) нагнетатель соединен с турбиной, наддувочный агрегат свободный, т. е. не имеющий механической связи с двига­телем, отбор мощности от коленчатого вала — свободный турбо­наддув;

в) нагнетатель, турбина и коленчатый вал двигателя меха­нически связаны, отбор мощности от коленчатого вала — комбини­рованный двигатель; г) нагнетатель соединен с коленчатым валом двигателя, отбор мощности от вала турбины — генератор газа.

Принцип действия двигателя: а) двигатель с принудительным зажиганием; дизель; б) четырехтактный; двухтактный.

Очень многие из приведенных выше комбинаций, например комбинированная установка, состоящая из двухтактного дизеля, компрессора объемного типа и газовой турбины, были опробованы экспериментально, однако лишь немногие варианты оказались выгодными для практического применения. Особенно удачным яви­лось соединение поршневого двигателя с наддувочным агрегатом, включающим в себя радиальный компрессор и газовую турбину, так как поршневая машина хорошо приспособлена для малых объемов и высоких давлений, а лопаточные машины наоборот — для больших объемов и низких давлений .

Наддув дизелей

На современных мощных четырехтактных и двухтактных дизелях применяется наддув для повышения ихмощности и тепловой экономичности. Сущность наддува состоит в том, что воздух в цилиндры дизеля не засасывается из атмосферы, а нагнетается турбокомпрессором или нагнетателем, приводимым от вала двигателя.

Благодаря наддуву в цилиндры подается на каждый рабочий цикл больше воздуха, чем при всасывании, что одновременно позволяет также подавать в цилиндры и сжигать большее количество топлива, а следовательно, получать при тех же размерах цилиндров и той же частоте вращения вала дизеля большую мощность. Установлено, что мощность дизеля возрастает примерно пропорционально давлению наддувочного воздуха. Таким образом, наддув позволяет почти при тех же размерах и массе двигателя увеличить его мощность в 2-3 раза.

При сжатии в нагнетателе воздух нагревается, его удельный объем возрастает, что в значительной степени уменьшает воздушный заряд в цилиндре. Поэтому в дизелях со средним и высоким наддувом обязательно применяют охлаждение наддувочного воздуха перед поступлением его в цилиндры. Охлаждение воздуха на каждые 10 °С дает увеличение мощности дизеля на 3-4 % и снижение удельного расхода топлива примерно на 1,5-2 г/(кВт-ч).

Экономичность дизелей с наддувом повышается вследствие увеличения механического коэффициента полезного действия и дополнительного использования тепла отработавших газов.

Давления сжатия и сгорания в цилиндре также возрастают. Температура же горения и тепловая напряженность дизеля остаются почти неизменными.

Существуют три способа наддува дизелей: нагнетателем, имеющим привод от вала дизеля (механический наддув), газотурбинный и комбинированный.

Механический наддув. Нагнетатель 5 (рис. 13) приводится во вращение через редуктор 6 от коленчатого вала. Воздух засасывается нагнетателем из атмосферы и через впускной

Рис. 13. Схема наддува дизеля с механическимприводом воздушного нагнетателя: 1 — цилиндр дизеля; 2 — поршень; 3 — клапан выпускной; 4 — клапан впускной; 5 — нагнетатель центробежный, 6 — редукторклапан 4 нагнетается в цилиндр. Недостаток такого способа наддува состоит в том, что количество подаваемого в цилиндр воздуха зависит от частоты вращения вала дизеля, а не от нагрузки, т. е. подача воздуха в цилиндр при данной частоте вращения вала будет одинакова на холостом ходу и при полной нагрузке. Так осуществляется воздухоснабжение в дизеле 2Д100. Для правильной же организации рабочего процесса дизеля необходимо, чтобы под нагрузкой подавалось воздуха больше, чем на холостом ходу. Это особенно важно для тепловозных двигателей. Кроме того, на привод нагнетателя при этом способе наддува расходуется часть полезной мощности дизеля, поэтому экономичность двигателя повышается мало.

Газотурбинный наддув. В четырехтактном дизеле с газотурбинным наддувом (рис. 14) отработавшие газы, пройдя выпускной клапан 4, поступают на газовое колесо турбины 1 и, совершив работу, выбрасываются в атмосферу. На одном валу с турбиной находится крыльчатка центробежного нагнетателя 2, который забирает воздух из атмосферы, сжимает его до давления рк и через впускной клапан 3 нагнетает в цилиндр.

При газотурбинном наддуве количество воздуха, подаваемого в цилиндры, будет тем больше, чем больше внешняя нагрузка на дизель, так как в этом случае через турбину пройдет большее количество отработавших га-

Рис. 14. Схема дизеля с газотурбинным наддувом

1 — турбина газовая; 2 — нагнетатель центробежный 3 — клапан впускной; 5 — цилиндр; 6 — поршеньзов, имеющих более высокую температуру; частота вращения ее увеличится, а следовательно, возрастет и подача нагнетателя. Это свойство дизеля с газотурбинным наддувом для тепловозов особенно ценно, так как этим достигается «саморегулирование» дизеля. Кроме того, при газотурбинном наддуве благодаря дополнительному использованию тепла отработавших газов повышается коэффициент полезного действия двигателя. Газотурбинный наддув применен в четырехтактных тепловозных дизелях типов Д70, Д49, ПД1М, М756, КбЗЗКЮк.

Комбинированный наддув. Комбинированный (двухступенчатый) наддув (рис. 15) применяется в двухтактных дизелях в том случае, когда воздух необходимо сжать до сравнительно высокого давления (0,2-т-0,3) МПа. Одного нагнетателя 5, приводимого от газовой турбины, оказывается недостаточно для обеспечения дизеля воздухом требуемых параметров, особенно на пониженных нагрузках, так как температура выпускных газов перед турбиной у двухтактного дизеля ниже, чем у четырехтактного, вследствие интенсивной продувки цилиндров воздухом. Поэтому в двухтактных дизелях применяют вторую ступень сжатия воздуха в нагнетателе 7, который имеет механический привод (через редуктор 8) от вала двигателя. При сжатии в первой ступени (турбонагнетателе) воздух нагревается до высокой температуры (100- 150°С), что уменьшает воздушный за ряд цилиндра и, следовательно, мощность и экономичность дизеля. Чтобы избежать этого, после нагнетателя 5 воздух направляется в охладитель 6, где он охлаждается до 50-60 °С.

Работа дизеля с двухступенчатым наддувом протекает следующим образом. При работе под нагрузкой газовая турбина 4 вращает колесо нагнетателя 5 с большой частотой (15 000- 20 000 об/мин), вследствие чего нагнетатель засасывает воздух из атмосферы и под давлением (0,2-г-0,25) МПа подает его в охладитель, и далее в приводной нагнетатель. В этом нагнетателе воздух дополнительно сжимается еще на (0,034-0,05) МПа и через наддувочный коллектор и впускные окна подается в цилиндр дизеля. Во время пуска дизеля, когда газовая турбина не работает, приводной нагнетатель 7 засасывает воздух из атмосферы через нагнетатель 5 и охладитель 6 и подает его в дизель.

Комбинированный двухступенчатый наддув применен в двухтактных тепловозных дизелях 10Д100, 11Д45. 14Д40.

Рис. 15. Схема дизеля с комбинированным (двухступенчатым) наддувом: 1 — поршень; 2 — цилиндр дизеля; 3 — клапаны выпускные; 4 — газовая турбина; 5 — нагнетатель первой ступени; 6 — воздухоотделитель; 7 — нагнетатель второй ступени; 8 — редуктор привода нагнетателя второй ступени; 9 — кривошип; 10 — наддувочный коллектор В четырехтактных дизелях нагнетатель, приводимый от коленчатого вала, не нужен, так как энергии отработавших газов достаточно для сжатия воздуха до необходимого давления в турбокомпрессоре при всех скоростных и нагрузочных режимах работы.

Глава IV. ОСНОВЫ ТЕПЛОВЫХ ПРОЦЕССОВ ДИЗЕЛЕЙ

голоса
Рейтинг статьи
Читать еще:  Volkswagen polo стук в двигателе на холодную
Ссылка на основную публикацию
ВсеИнструменты
Adblock
detector