Наддув воздуха в дизельном двигателе.

Наддув воздуха

Наддув воздуха как средство повышения мощности давно используется на больших дизельных стационарных и судовых установках, а также на дизелях грузовиков 1 . Сегодня он применяется и на быстроходных дизелях легковых автомобилей . В противоположность атмосферному впуску у двигателей с наддувом воздух подается в цилиндры под избыточным давлением. Этим увеличивается масса воздуха в цилиндре, что при большей массе топлива приводит к повышению выходной мощности двигателя при равном рабочем объеме. Наддув воздуха осуществляется при помощи так называемых нагнетателей. Дизель особенно хорошо подходит для наддува, так как в сто впускном тракте сжимается только воздух, а не топливовоздушная смесь, и на основе качественного регулирования он может хорошо комбинироваться с наддувом. У двигателей большой размерности для грузовых автомобилей при помощи наддува воздуха и снижения степени сжатия достигается повышение среднего эффективного давления (и, таким образом, крутящего момента), однако при этом надо учитывать ограничения, связанные с возможностью холодного пуска. В основном различают две разновидности нагнетателя:

• турбонагнетатель, в котором требуемая на сжатие воздуха мощность отбирается от ОГ (газодинамическая связь двигатель/нагнетатель);

• механический нагнетатель, в котором требуемая на сжатие воздуха мощность отбирается от коленчатого вала двигателя (механическая связь двигатель/нагнетатель).

Коэффициент наполнения

Коэффициентом наполнения называется отношение количества воздуха, заключенного в цилиндре, к определенному рабочим объемом теоретическому заряду при нормальных условиях (атмосферное давление р0 = 1013 гПа, температура Г„ = 273 К) без наддува. Вычисленный таким образом коэффициент наполнения дизелей с наддувом находится в пределах 0,85...3,0.

 boschdiesel 44

 

Рис. 2

 

1. Канал подачи ОГ 2. Крыльчатка турбины 3. Подвижная лопатка соплового аппарата 4. Патрубок подачи разрежения 5. Кольцо регулирования подвижных лопаток соплового аппарата 6. Подача смазки 7. Подача свежего воздуха к нагнетателю 8. Подача сжатого воздуха к двигателю


Динамический наддув

 

Динамический наддув можно создать уже одним использованием динамических эффектов во впускном тракте. Для дизеля этот процесс не имеет такого значения, как для бензинового двигателя. У дизеля основная цель конструирования системы впуска — равномерное распределение по всем цилиндрам воздуха и рециркулируемых ОГ. Кроме того, важную роль в работе двигателя играет создание воздушного вихря в цилиндрах. При относительно низкой частоте вращения коленчатого вала дизеля целенаправленное использование параметров впускного тракта для динамического наддува потребовало бы применения крайне длинных впускных каналов. В настоящее время почти все дизели снабжаются нагнетателями, среди которых наибольшими преимуществами обладают те модели, что менее инерционны при работе на нестационарных режимах. Впускной тракт дизеля делают по возможности короче. Преимуществами этого решения являются:• улучшенные динамические качества;• возможность управления рециркулицией ОГ.

 

Турбонаддув

 

Наддув воздуха турбонагнетателем, который приводится в действие отработавшими газами, находит наиболее широкое применение среди всех известных способов. Этот вариант даже на двигателях малого рабочего объемя позволяет получить крутящий момент и мощность достаточной величины при высоком КПД. Турбонагнетатели используют на легковых и грузовых автомобилях, больших судовых двигателях и тепловозах. Если раньше турбонаддув использовался прежде всего для повышения удельной мощности, то теперь он находит все большее применение для повышения величины максимального крутящего момента на низких и средних частотах вращения коленчатого вала. Это имеет значение, в частности, при использовании электронного регулирования давления наддува.

 

Конструкция и принцип действия

 

Энергия находящихся под давлением горячих ОГ двигателя внутреннего сгорания большей частью теряется, поэтому напрашивалось решение использовать часть этой энергии для повышения давлении во впускном тракте. Турбонагнетатель (рис. 3) состоит из двух газодинамических устройств:

 

• газовой турбины 7, которая воспринимает энергию потока ОГ;

 

• компрессора 2, который соединен валом 11 с турбиной и сжимает подаваемый воздух.  

 


 

Горячие ОГ поступают на турбину и раскручивают вал 11 до высокой частоты вращения, которая у дизелей достигает 200 000 мин Направленные лопатками турбинного колеса ОГ двигаются к оси турбины, откуда затем выходят через канал 8 во выпускной тракт (радиальная турбина). Вал приводит во вращение радиальный компрессор. Здесь противоположная картина: поток 3 подаваемого воздуха входит по оси компрессора, ускоряется лопатками при движении наружу и при этом превращается в поток 4 сжатого воздуха.

 

Для двигателей большого рабочего объема применяются также аксиальные турбины, где ОГ подаются на аксиальное колесо. Такие турбины имеют более высокую эффективность и в производстве обходятся дешевле, чем радиальные. Для двигателей легковых и грузовых автомобилей компановочно лучше подходит радиальная турбина. Сопротивление движению ОГ, возникающее перед турбиной, увеличивает ра боту выталкивания, производимую двигателем на такте выпуска. Несмотря на это, КПД дизеля в диапазоне частичных нагрузок повышается. На стационарном режиме с постоянной частотой вращения коленчатого вала поле характеристик турбины и компрессора можно согласовать одновременно на высокий КПД и высокое давление наддува. Гораздо труднее определить параметры для нестационарных условий работы двигателя, от которого ожидают высокого крутящего момента, в частности при ускорении. В начале ускорения низкая температура ОГ и незначительное их количество, а также необходимость ускорения массы подвижных частей турбонагнетателя замедляют увеличение давления в компрессоре. Это явление у двигателей легковых автомобилей с турбонаддувом называется «провал».

 

Для обеспечения наддува для легковых и грузовых автомобилей созданы нагнетатели, которые из-за незначительной собственной массы подвижных деталей реагируют на изменение давления уже при небольшом усилении интенсивности потока ОГ. Используя подобные агрегаты, можно значительно улучшить характеристики работы дизеля, что особенно важно в нижней области частот вращения коленчатого вала.

 

Различают два принципа наддува.

 

При наддуве с постоянным давлением резервуар перед турбиной сглаживает пульсации давления в выпускном тракте. Вследствие этого турбина может пропускать при меньшем среднем давлении больше ОГ в области высоких нагрузок двигателя. Так как противодавление ОГ рабочей точке становится меньше, расход топлива тоже сокращается. Наддув с постоянным давлением применяют для больших судовых двигателей, дизель генераторов и стационарных установок.

 

Кинетическая энергия пульсаций давления при выходе ОГ из цилиндра используется при импульсном наддуве, который обеспечивает более высокий крутящий момент на более низких частотах вращения коленчатого вала. Этот принцип применяется на дизелях легковых и грузовых автомобилей. Чтобы отдельные цилиндры при газообмене не влияли на работу друг друга, у шестицилиндровых двигателей, например, выпускные магистрали объединяются по трина коллектор.

 

В турбинах с разделенным потоком (рис. 3), которые имеют два внешних клапана, потоки ОГ также разделяющей в зоне турбины.

 

boschdiesel 45

Рис.3

1. Корпус компрессора 2. Компрессор 3. Поток подаваемого воздуха 4. Поток сжатого воздуха 5. Подача смазки к подшипникам 6. Корпус турбины 7. Газовая турбина 8. Канал отвода ОГ к выпускному тракту 9. Корпус подшипников вала нагнетателя 10. Канал подачи ОГ к нагнетателю 11. Вал 12. Отвод смазки от подшипников

Чтобы быстрее выходить на рабочий режим, турбонагнетатель устанавливается по возможности ближе к выпускным клапанам, поэтому он должен изготавливаться из термостойких материалов. На судах, где из-за опасности пожара запрещено наличие горячих поверхностей в машинном отделении, турбонагнетатель охлаждается водой или теплоизолируется. Нагнетатели для бензиновых двигателей, у которых температура ОГ выше, чему дизелей, на 200...300°С, также могутбыть включены в контур системы охлаждения.

 

Конструкция

 

Двигатели должны развивать высокий крутящий момент уже при низкой частоте вращения коленчатого вала, поэтому турбонагнетатель конструируется из расчета небольшой скорости потока ОГ (например, полная нагрузка при частоте вращения п < 1800 мин1 ) . Для того, чтобы при больших скоростях потока ОГ нагнетатель не перегружал двигатель и сам не выходил из строя, давление наддува необходимо регулировать. Для этого используются три конструктивных варианта:• нагнетатель с перепуском ОГ;

 

• нагнетатель с изменяемой геометрией турбины;

 

• нагнетатель с дросселированием турбины.

 

Нагнетатель с перепуском ОГ (рис. 4)

boschdiesel 46

 

Рис.4

 

1. Электропневматический преобразователь давления наддува 2. Вакуумный насос 3. Исполнительный механизм перепускного клапана 4. Корпус турбины 5. Перепускной клапан 6. Канал подачи ОГ к турбине 7. Канал подачи сжатого воздуха во впускной тракт 8. Газовая турбина 9. Компрессор


 

При высоких нагрузках на двигатель часть потока ОГ через перепускной клапан 5 направляется мимо турбины в систему выпуска ОГ. Вследствие этого поток газов через турбину уменьшается, что снижает как степень сжатия воздуха компрессором, так и излишне высокую частоту вращения вала турбонагнетателя. При низких нагрузках на двигатель клапан закрывается и весь поток ОГ направляется в турбину. Как правило, перепускной клапан интегрирован в корпус турбины. На первых турбонагнетателях тарельчатый клапан устанавливали в отдельном корпусе параллельно турбине. Электро пневматический преобразователь 1 давления наддува приводит в действие 3/2 ходовой перепускной клапан с электроприводом, подсоединенный к вакуумному насосу 2. В положении покоя, когда преобразователь обесточен, байпасный клапан 3 исполнительного механизма под действием пружины открыт. Таким образом, часть ОГ отводится через перепускной канал, снижая нагрузку на вал нагнетателя.

 

Если на электропневматический преобразователь подается напряжение, он соединяет камеру перепускного клапана с вакуумным насосом. Специальная мембрана под действием разрежения от насоса сжимает пружину, закрывая перепускной клапан. В этом случае весь поток ОГ пойдет через турбонагнетатель, увеличивая частоту вращения вала нагнетателя.

 

Нагнетатель сконструирован таким образом, что перепуск при неисправности блока управления открывается автоматически. Благодаря этому при больших нагрузках не возникает высокое давление наддува, которые повредило бы нагнетатель или сам дизель. У бензиновых двигателей во впускном трубопроводе образуется сильное разрежение, поэтому применение вакуумного насоса не требуется. Управление при помощи электрического исполнительного механизма без помощи разрежения возможно для обоих вариантов двигателя.

 

Нагнетатель с изменяемой геометрией турбины (рис. 5)

boschdiesel 47

 

Рис, 5

 

а  положение направляющих лопаток при высокой скорости потока ОГ

 

b  положение направляющих лопаток при низкой скорости потока ОГ

 

1. Крыльчатка турбины 2. Управляющее кольцо 3. Подвижные направляющие лопатки соплового аппарата 4. Управляющий рычаг 5. Управляющий пневматический цилиндр 6. Поток ОГ


 

Нагнетатель с изменяемой геометрией турбины (система VTG, см. список сокращений) дает возможность ограничить поток ОГ через турбину при высокой частоте вращения коленчатого вала двигателя.

 

Подвижные направляющие лопатки 3 соплового аппарата изменяют поперечное сечение каналов, через которые ОГ устремляются на крыльчатку турбины. Этим они согласовывают возникающее в турбине давление газа с требуемым давлением наддува. При низкой нагрузке на двигатель подвижные лопатки открывают небольшое поперечное сечение каналов так, что увеличивается противодавление ОГ. Поток газов развивает в турбине высокую скорость, обеспечивая высокую частоту вращения вала нагнетателя (а). При этом поток ОГ действует на более удаленную от оси вала область лопаток крыльчатки турбины. Таким образом, возникает большее плечо силы, которое дополнительно увеличивает крутящий момент. При высокой нагрузке направляющие лопатки открывают большее поперечное сечение каналов, что уменьшает скорость течения потока ОГ (Ь). Вследствие этого турбонагнетатель при равном количестве ОГ меньше ускоряется и работает с меньшей частотой при большем количестве газов. Этим способом ограничивается давление наддува.

 

Поворотом управляющего кольца 2 изменяется угол направления лопаток, которые устанавливаются на желаемый угол либо непосредственно отдельным управляющим рычагом 4, укрепленным на лопатках, либо поворотными кулачками. Попорот кольца осуществляется при помощи управляющего пневматического цилиндра 5 под действием разрежения или давления воздуха либо, как вариант, при помощи электродвигателя с обратной связью по положению лопаток (датчик положения). Вместе с тем можно устанавливать давление наддува наилучшим образом в зависимости от различных входных величин. Нагнетатель с изменяемой геометрией в положении покоя открыт и поэтому безопасен, т. е. при отказе управления ни он сам, ни двигатель не повреждаются. Происходит лишь потеря производительности на низких частотах вращения коленчатого вала.

 

Эту конструкцию нагнетателя применяют сегодня преимущественно на дизелях. У бензиновых двигателей она еще не используется, прежде всего из-за высокой термической нагруженности и более горячих ОГ.

 

Нагнетатель с дросселированиемтурбины (рис. 6)

boschdiesel 48

 

Рис.6

 

а  открыт один подводной канал

 

Ь  открыты два подводных канала

 

1. Газовая турбина 2. Подводной канал 3. Подводной канал 4. Регулировочная заслонка 5. Перепускной канал 6. Тяга управления заслонкой


 

Нагнетатель с дросселированием турбины (система VST, см. список сокращений) устанавливают на небольших двигателях легковых автомобилей. Регулировочная заслонка 4 постепенным открытием подводных каналов 2 и 3 изменяет в этой конструкции проходное сечение для потока ОГ к турбине.

 

При небольших частотах вращения коленчатого вала или малых нагрузках на двигатель открыт только канал 2. Меньшее поперечное сечение приводит к высокому противодавлению ОГ, высокой скорости течения газов и тем самым к высокой частоте вращения вала газовой турбины 1.При достижении желаемого давления наддува регулирующая задвижка плавно открывает канал 3. Скорость течения ОГ, а вместе с тем частота вращения вала турбины и давление наддува уменьшаются. Регулятор двигателя задает положение указанной задвижки с помощью пневматического цилиндра.

 

Через встроенный в корпус турбины перепускной канал 5 можно также отвести почти весь поток газов от турбины и таким образом получить очень небольшое давление наддува.

 

Преимущества и недостатки турбонаддуна с отбором от ОГ мощности, требуемой на сжатие воздуха

 

Уменьшение размеров

 

По сравнению с вариантом атмосферного впуска при одинаковой мощности турбонагнетатель обеспечивает двигателю, прежде всего, меньшую массу и габариты. В диапазоне рабочих частот вращения на графике можно видеть лучшее протекание кривой крутящего момента (рис. 7). При этом на конкретной частоте вращения коленчатого вала при равномудельном расходе топлива обеспечивается более высокая мощность двигателя с наддувом (А  В).

boschdiesel 49

 

Рис. 7

 

а  двигатель без наддува в стационарном режиме

 

b  двигатель с наддувом в стационарном режиме

 

с  двигатель с наддувом в нестационарных режимах


 

Такое соотношение мощностей из-за более благоприятного протекания кривой крутящего момента двигателя с системой наддува имеет место уже в диапазоне низких частот вращения коленчатого вала (В  С). Рабочая точка двигателя по требуемой мощности перемещается, таким образом, в область меньших частот, с более низкими потерями на трение, из чего следует и меньший расход топлива (Е  D).

 

Характеристика крутящего момента

 

При малой частоте вращения коленчатого вала крутящий момент двигателей с турбонагнетателем находится на уровне моторов без наддува. В этой области давление наддува не проявляется, поскольку энергии ОГ недостаточно для раскрутки турбины.

 

На нестационарных режимах величина крутящего момента при средних нагрузках находится на уровне двигателей с атмосферным впуском (с). Это связано с тем, что существует задержка в повышении интенсивности потока ОГ. При разгоне, таким образом, в работе двигателя отмечается «провал», который у бензиновых двигателей можно уменьшить, прежде всего, использованием динамического наддува, способного поддерживать высокое рабочее состояние нагнетателя. У дизелей есть возможность существенно уменьшить «провал» установкой турбонагнетателей с переменной геометрией турбины.

 

Другой вариант устранения «провала» — использование турбонагнетателя с дополнительным электродвигателем, который ускоряет вращение крыльчатки компрессора независимо от расхода ОГ. В настоящее время этот тип нагнетателя находится в разработке.

 

Параметры работы двигателей с турбонагнетателем на больших высотах над уровнем моря весьма оптимальны, так как необходимый для подключения турбины перепад давления становится выше при пониженном атмосферном давлении. Это частично выравнивает пониженную плотность воздуха. При раскрутке вала турбины необходимо обращать внимание на то, чтобы он при этом не«перекрутился».

 

 Механический наддув

 

При механическом наддуве нагнетатель приводится в действие непосредственно от коленчатого вала двигателя. Как правило, оба агрегата жестко связаны друг с другом, например через ременный привод. Механические нагнетатель для дизелей применяются реже, чем турбонагнетатели.

 

Механические нагнетатели

 

Наиболее распространенной конструкцией является механический нагнетатель. Он применяется преимущественно на двигателях малой и средней величины для легковых автомобилей. Для дизелей используются следующие виды механических нагнетателей:

 

 Нагнетатель с внутренним сжатием

 

В таком нагнетателе воздух сжимается непосредственно внутри нагнетателя. Дизели оснащаются поршневым или винтовым нагнетателем.

 

Поршневой нагнетатель

 

Механизмы этого типа оснащаются либо поршнем (рис. 8), либо мембраной (рис.9). Поршень (подобно поршню в двигателе) сжимает воздух, который затем подается через выпускной клапан к цилиндрам двигателя.

boschdiesel 50

Рис. 8

 

1. Впускной клапан 2. Выпускной клапан 3. Поршень 4. Приводной (коленчатый  вал) 5. Картер нагнетателя

boschdiesel 51

 

Рис.9

 

1. Впускной клапан2. Выпускной клапан 3. Мембрана 4. Приводной (кулачновый) вал

Винтовой нагнетатель

 

В винтовом нагнетателе (рис. 10) воздух сжимают две лопасти 4, имеющие форму винта и вращающиеся навстречу друг другу.

boschdiesel 52

 

Рис. 10

 

1. Приводной вел 2. Подача воздуха на сжатие 3. Подача сжатого воздуха 4. Винтообразные лопасти


 

Нагнетатель без внутреннего сжатия

 

В механических нагнетателях без внутреннего сжатия воздух сжимается направленным потоком за нагнетателем (во впускном трубопроводе). На двухтактных дизелях чаще всего устанавливается нагнетатель системы Roots (риг 11)

boschdiesel 53

 

Рис. 11

 

1. Корпус нагнетателя 2. Ротор


 

Нагнетатели системы RootsОснову

 

нагнетателя системы Roots составляют два вращающихся ротора 2, приводимых шестернями. Они движутся навстречу друг другу, как в шестеренном насосе, и нагнетают воздух во впускной тракт.

 

Центробежный приводной нагнетатель

 

Наряду с механическими объемными нагнетателями, повышающими давление воздуха, существует также центробежный нагнетатель, который сжимает воздух подобно турбонагнетателю. Для достижения требуемой высокой окружной скорости рабочая крыльчатка приводится во вращение через отдельный планетарный редуктор. Эти нагнетатели имеют благоприятный КПД в широком диапазоне частоты вращения коленчатого вала и могут рассматриваться как альтернатива турбонаддуву, особенно для малых двигателей. Механический поточный нагнетатель часто именуется также механическим круговым нагнетателем. На двигателях легковых автомобилей среднего и большого классов они применяются редко.

 

Регулирование давления наддува

 

Давление наддува на механическом нагнетателе может регулироваться через перепускной канал. Часть потока сжатого воздуха направляется в нагнетатель и определяет наполнение цилиндров двигателя. Другая часть направляется через канал, оборудованный перепускным клапаном, обратно в зону подачи. Управление перепускным клапаном происходит с помощью блока управления работой дизеля.

 

Преимущества и недостатки механического наддува

 

Поскольку нагнетатель приводится непосредственно от двигателя, то при механическом наддуве повышение частоты вращения рабочего вала нагнетателя происходит одновременно с повышением частоты вращения коленчатого вала двигателя. Соответственно при динамичной езде механический нагнетатель обеспечивает больший крутящий момент и лучшую приемистость, чем турбонагнетатель. Используя в приводе нагнетателя вариатор, можно улучшить также приемистость дизеля на средних нагрузка.

 

Если отсутствует избыточная мощность (порядка 10... 15 кВт для легкового автомобиля), необходимая для привода нагнетателя, то побочным эффектом указанных преимуществ может стать повышенный расход топлива. Этот недостаток компенсируется наличием в приводе нагнетателя специальной муфты, позволяющей отключать его при малых нагрузках. Другим недостатком нагнетателя являются его сравнительно большие размеры.

 

Многоступенчатый наддув

 

Многоступенчатый наддув позволяет существенно расширить пределы регулирования мощности по сравнению с одноступенчатым наддувом. При этом удается улучшить как подачу воздуха в цилиндры, так и удельный расход топлива на стационарных и переходных режимах работы двигателя. Многоступенчатый наддув может быть реализован следующими способами.

 

Переключаемый наддув

 

При увеличивающейся нагрузке к основной системе наддува можно параллельно подключать один или несколько турбонагнетателей. В результате возможно достижение двух или даже нескольких максимумов КПД, в отличие от случая использования одного большего нагнетателя, настроенного на номинальную мощность. Из-за дорогой системы переключения нагнетателей подобная система наддува используется преимущественно на судах или стационарных генераторах.

 

Двухступенчатый наддув

 

Двухступенчатый регулируемый наддув представляет собой последовательное подключение двух турбонагнетателей различной мощности, оснащенных байпасным регулированием и, в идеальном случае, охладителями наддувочного воздуха (рис. 12). Свежий воздух сначала предварительно сжимается в нагнетателе 1 низкого давления. После этого начинает работать относительно меньший нагнетатель 2 высокого давления, сжимающий воздух до меньшего объема при большем давлении, что позволяет обеспечить требуемый расход воздуха. Использование двухступенчатого наддува может особенно благоприятно сказаться на КПД нагнетателя.

boschdiesel 54

 

Рис. 12

 

1. Ступень низкого давления (турбонагнетатель с охлаждением надувочного воздуха) 2. Ступень высокого давления (турбонагнетатель с охлаждением надувочного воздуха) 3. Впускной коллектор 4. Выпускной коллектор 5. Перепускной клапан 6. Перепускная магистраль


 

При низких частотах вращения коленчатого вала перепускной клапан 5 закрыт, поэтому работают оба турбокомпрессора. Таким образом, очень быстро достигается высокий уровень наддува. Если нагрузка на двигатель повышается, перепускной клапан открывается вплотьдо перекрытия нагнетателя высокого давления, когда весь воздух идет из нагнетателя 1 непосредственно в двигатель. Благодаря этому система наддува плавно реагирует на потребности двигателя. Этот вид наддува из-за простоты регулирования используется для автомобилей.

 

Автономный нагнетатель.

 

Перед турбонагнетателем может устанавливается дополнительный автономный нагнетатель. Он аналогичен по конструкции и приводится в действие от независимого электромотора. При ускорении движения автономный нагнетатель подает дополнительный объем воздуха, улучшая приемистость двигателя.

 

Охлаждение наддувочного воздуха.

 

Во время сжатия воздух в нагнетателе может нагреваться почти до 180°С. Так как горячий воздух, особенно при одинаковых окружающих условиях, имеет меньшую плотность, чем холодный, его дальнейший нагрев негативно сказывается на наполнении цилиндров. Установленный за нагнетателем охладитель наддувочного воздуха помогает избежать отрицательного эффекта, поскольку с его помощью наполнение цилиндра улучшается без изменения параметров нагнетателя. Тем самым увеличивается количестве) кислорода д/ш сгорании, 1ак что могут быть достигнуты более высокие крутящий момент и мощность при заданной частоте вращения коленчатого вала. Более низкая температура поступающего в цилиндр воздуха позволяет снизить температуру в конце такта сжатия, что дает следующие преимущества:

 

• лучший термический КПД и вместе с тем меньший расход топлива и сниженное дымление дизеля;

 

• меньшая склонность к детонации бензинового двигателя;

 

• меньшие термические нагрузки зеркала цилиндра и поверхности камеры сгорания;

 

• несколько меньший уровень эмиссии NOx благодаря пониженной температуре сгорания смеси.

 

Сам охладитель наддувочного воздуха охлаждается внешним воздухом или подключается к системе жидкостного охлаждения двигателя.