2.14.1. Назначение наддува, схемы привода нагнетателя
Одним из способов повышения мощности ДВС является увеличение количества поступающего в цилиндры воздуха. Подача воздуха в двигатель при положительном давлении называется наддувом, т.е. массовое наполнение цилиндра воздухом при наддуве больше, чем без него. Благодаря наддуву в цилиндре можно сжигать большее количество топлива и получать более высокие температуру и давления. Давление наддува у дизелей ограничивает тепловая и механическая напряженность деталей кривошипношатунного механизма. У бензиновых двигателей давление наддува ограничивает вероятность возникновения детонационного сгорания топлива, вследствие чего при наддуве следует уменьшать до определенного предела степень сжатия.
Для автотракторных двигателей применяют два способа наддува: механический, когда воздух закачивается специальным нагнетателем (компрессором), имеющим механический привод, и газотурбинный (турбонаддув).
Для механического наддува автотракторных двигателей используются центробежные и объемные нагнетатели. В центробежном одноступенчатом нагнетателе рабочим органом является крыльчатка, или, другими словами, колесо с лопатками, вращающееся с частотой до 30000…40000 мин-1. Давление, создаваемое центробежным одноступенчатым нагнетателем, составляет примерно 0,2 МПа. Схема работы центробежного нагнетателя с механическим приводом показана на рис. 2.89, а.
Рис. 2.89. Схема работы центробежного нагнетателя с приводом:
а — механическим; б — газотурбинным; 1 — крыльчатка нагнетателя; 2 — впускной трубопровод; 3 — коленчатый вал; 4 — выпускной трубопровод; 5 — сопловый аппарат; 6 — выхлопная труба; 7 — лопатки газовой турбины; → — направление движения воздуха
Крыльчатка 1 нагнетателя приводится во вращение от коленчатого вала 3 двигателя. Под действием центробежных сил, вызванных вращением крыльчатки, воздух отбрасывается к периферии колеса, а в его центре создается разрежение, что обеспечивает всасывание воздуха. Атмосферный воздух засасывается в нагнетатель и сжимается в нем до необходимого давления. Сжатый воздух при такте впуска поступает по впускному трубопроводу 2 в цилиндр двигателя. Часть мощности, развиваемой двигателем, затрачивается на приведение в действие нагнетателя.
По сравнению с объемными нагнетателями центробежные нагнетатели имеют малые габаритные размеры и массу, более высокий КПД. Однако центробежные нагнетатели реализуют высокие давления наддува на сравнительно больших оборотах; на малых и средних оборотах давление наддува понижено и вращающий момент уменьшается.
В объемном нагнетателе рабочим органом являются два ротора (двух-, трехлопастные или с винтовыми лопастями), вращающиеся со скоростью до 7000 мин-1. Объемные нагнетатели приводятся в действие от коленчатого вала двигателя. Их используют обычно при давлении наддува 0,14…0,18 МПа. Они надежны в эксплуатации, но имеют большие габаритные размеры и массу. По сравнению с центробежными нагнетателями, объемные нагнетатели реализуют более высокие давления наддува на малых и средних оборотах двигателя, что позволяет повысить вращающий момент и улучшить тяговые качества машины на этих режимах.
При газотурбинном наддуве (турбонаддуве) для привода нагнетателя используется энергия отработавших газов двигателя, которые вращают газовую турбину. В этом случае в одном агрегате конструктивно объединяют центробежный нагнетатель (компрессор) и газовую турбину. Такой агрегат называется турбокомпрессором (см. рис. 2.56).
При таком способе наддува снижаются затраты мощности на привод, что повышает КПД и улучшает экономичность двигателя.
Схема работы центробежного нагнетателя с газотурбинным приводом приведена на рис. 2.89, б. Отработавшие газы двигателя по выпускному трубопроводу 4 поступают через сопловый аппарат 5 к лопаткам 7 газовой турбины и совершают полезную механическую работу, вращая газовую турбину, после чего отводятся
в выхлопную трубу 6. Колесо газовой турбины и крыльчатка 1 центробежного нагнетателя установлены на одном общем валу. Сжатый нагнетателем воздух при впуске по трубопроводу 2 поступает в цилиндр, что обеспечивает значительное повышение коэффициента наполнения ηv.
Очень хорошо система турбонаддува работает в дизелях. Отработавшие газы в дизеле холоднее, чем в бензиновых двигателях, что облегчает работу турбокомпрессора, и, кроме того, в дизеле не существует опасности возникновения детонации.
При работе системы турбонаддува происходит сильный нагрев турбины отработавшими газами, а компрессор остается ср ав нительно холодным. Очень важным узлом, определяющим долговечность турбокомпрессора, является узел подшипников вала. Обычно масло для смазывания подшипников подается под давлением из смазочной системы двигателя. Иногда для повышения работоспособности турбокомпрессора применяют охлаждение корпуса турбины жидкостью из системы охлаждения двигателя. При продолжительном движении автомобиля на высокой скорости турбина может раскрутиться до высокой частоты вращения (до 100 000 мин-1). После остановки двигателя турбокомпрессор останавливается не сразу, а масло уже не поступает к подшипникам. Чтобы при этом не произошло повреждение подшипников, необходимо перед выключением двигателя дать ему возможность некоторое время поработать на холостом ходу.
В многоцилиндровых двигателях с большим рабочим объемом отработавшие газы продолжают обладать большой энергией даже после прохождения турбокомпрессора. Эту энергию можно использовать для дальнейшего повышения мощностных характеристик двигателя, что и реализовано в так называемых турбокомпаундных двигателях. В таком двигателе часть энергии отработавших газов используется для раскручивания дополнительной турбины, которая через гидравлическую муфту связана с коленчатым валом. Такая конструкция дает возможность увеличить вращающий момент вала двигателя.