Для чего на двигателях внутреннего сгорания применяют турбонаддув
Перейти к содержимому

Для чего на двигателях внутреннего сгорания применяют турбонаддув

  • автор:

XIII Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум — 2021

УПРАВЛЕНИЕ ТУРБОНАДДУВОМ ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ

Шаменов Б.М. 1
1 Омский автобронетанковый инженерный институт
Работа в формате PDF

Текст работы размещён без изображений и формул.
Полная версия работы доступна во вкладке «Файлы работы» в формате PDF

Объектом исследования являются поршневой двигатель внутреннего сгорания.

Цель работы – анализ элементов конструкции поршневого двигателя внутреннего сгорания, систем наддува, разработка конструкции устройства управления наддувом поршневого ДВС.

На основании выполненного анализа обоснована конструкция устройства управления наддувом поршневого ДВС позволяющего адаптивно регулировать подачу сжатого воздуха в цилиндры.

Практическая ценность заключается в разработанной конструкции и полученного по результатам исследования патента на полезную модель по предложенному техническому решению.

Степень внедрения — основные результаты научной работы реализованы:

В материалах публикаций по результатам исследования;

В тезисах выступлений на научно-практических конференциях;

В материалах лекционных занятий по дисциплине «Энергетические установки ВГиКМ. Теория и проектирование»

По результатам работы получен патент РФ на полезную модель, подана заявка на выдачу патента на полезную модель.

Определения

Двигатель внутреннего сгорания – тепловой двигатель, в котором тепловая энергия, выделяющаяся при сгорания топлива, преобразуется в механическую.

Наддув поршневых двигателей внутреннего сгорания – это процесс, обеспечивающий увеличение массового наполнения цилиндров по сравнению с возможным их наполнением при давлении окружающей среды перед впускными органами

Обозначения и сокращения

БТВТ – бронетанковое вооружение и техника

ДВС – двигатель внутреннего сгорания

КПД – коэффициент полезного действия

Ведение

Силовые установки относятся к числу ответственных агрегатов, формирующих технико-эксплуатационные свойства автобронетанковой техники. Наиболее широкое применение в качестве силовых установок автобронетанковой техники нашли поршневые двигатели внутреннего сгорания.

Непрерывно ускоряющееся развитие техники требует все более быстрого роста агрегатной мощности двигателей, уменьшения их удельных габаритов и улучшения экономичности без существенного увеличения массы при постоянно возрастающей надежности.

Увеличение мощности поршневых двигателей внутреннего сгорания без изменения их размеров связано с необходимостью решения задачи сжигания в цилиндрах больших порций топлива за один рабочий цикл. Решение этой задачи требует подачи в цилиндры большего количества воздуха (в дизелях) или горючей смеси (в двигателях с внешним смесеобразованием), т.е. увеличение количества свежего заряда

Увеличение количества свежего заряда при неизменном рабочем объеме двигателя может быть обеспечено только за счет повышения его плотности в результате предварительного сжатия. Этот способ, известный под названием наддува, успешно применяется в современном двигателестроении.

При сравнении же двух двигателей с одинаковой мощностью двигатель с наддувом имеет преимущество в существенном уменьшении габаритов и массы.

При использовании наддува возможно значительное (в разы) увеличение мощности и крутящего момента двигателей при сравнительно небольшом усложнении конструкции и увеличении стоимости. Однако при выборе системы наддува необходимо учитывать особенности конструкции двигателя и режимов его работы на образце БТВТ. В зависимости от этого выбирается тип системы наддува (механический, газотурбинный, комбинирован­ный), а в особых случаях возможно применение специальных сис­тем наддува (Гипербар, двухступенчатый наддув, силовая турбина, волновой обменник давления Компрекс).

В зависимости от назначения двигателя необходимо выбрать систему охлаждения наддувочного воздуха и способ подвода отработавших газов к турбине, зависящий от числа и расположения цилиндров, который позволяет наиболее эффективно использовать энергию отработавших газов для привода турбокомпрессора.

Практически все выпускаемые в настоящее время дизели имеют наддув, в то время как на двигателях с искровым зажиганием наддув до недавнего времени применялся ограниченно, прежде всего из-за проблемы детонации. Лишь в последнее десятилетие началось активное применение наддува на двигателях с искровым зажиганием в связи с использованием электронных систем управления, позволяющих активно бороться с детонацией.

1. Повышение среднего эффективного давления впускного воздуха двигателя

Наиболее действенным способом повышения мощности двигателя является повышение среднего эффективного давления воздуха во впускном коллекторе путем его сжатия в компрессоре перед подачей его в цилиндры двигателя.

Наддув поршневых двигателей внутреннего сгорания – это процесс, обеспечивающий увеличение массового наполнения цилиндров по сравнению с возможным их наполнением при давлении окружающей среды перед впускными органами.

Применение наддува является сложной технической проблемой и предусматривает обеспечение следующих задач:

— увеличения плотности заряда при минимизации механических потерь;

— впрыскивания топлива с повышенными параметрами увеличенной цикловой подачи топлива;

— качественного смесеобразования и сгорания топлива;

— долговечности и безотказности двигателя при повышенном уровне тепломеханической нагруженности деталей.

Различают два принципиально разных вида наддува: механический, когда приводной компрессор или нагнетатель приводится от коленчатого вала двигателя, и газотурбинный, когда компрессор приводится турбиной, через которую проходят отработавшие газы. Также возможны комбинированные системы наддува, объединяющие механический и газотурбинный наддув. На рисунке 1, а, б представлены схемы систем механического и газотурбинного наддува 4-тактных двигателей, а на рис. 1, в − комбинированного наддува 2-тактного двигателя.

Рисунок 1- Схемы систем наддува:

а) 4-тактного двигателя с приводным нагнетателем, б) 4-тактного двигателя с турбокомпрессором, в) комбинированного наддува 2-тактного двигателя с приводным нагнетателем и турбокомпрессором, 1 – компрессор, 2 – охладитель впускного воздуха, 3 – впускной коллектор, 4 – цилиндр двигателя, 5 − выпускной коллектор, 6 – турбина, 7 – приводной нагнетатель, 8 – впускные окна

Величина наддува определяется изменением величин коэффициента наполнения (η v ) и плотности воздушного заряда (ρв, кг/м 3 ), входящих в уравнения среднего эффективного давления цикла ( p e , МПа) (1) и эффективной мощности
( N e , кВт) (2,3):

где Н u – низшая теплота сгорания топлива;

α – коэффициент избытка воздуха;

0 – количество воздуха, теоретически необходимое для полного окисления 1 кг топлива, кг воздуха/ кг топлива;

i – количество цилиндров;

η i – индикаторный КПД;

ηм – механический КПД;

n – частота вращения коленчатого вала, мин –1 ;

Z – число тактов, приходящихся на один цикл: для четырехтактных двигателей Z = 4, для двухтактных ДВС Z = 2;

V h – рабочий объем цилиндра, м 3 .

2. Классификация систем наддува

Наддув классифицируется по признакам: степени наддува, способу привода нагнетателя и другим.

По степени наддува или по величине давления наддува ( р к ) и соответствующему ему повышению мощности различают низкий, средний, высокий и сверхвысокий наддув (табл. 1).

Классификация наддува по величине создаваемого давления

Тип двигателя

По способу привода нагнетателя различают механический, газотурбинный, комбинированный и газодинамический (инерционный) наддув (рис. 2).

Рисунок 2 — Способы наддува двигателей

При механическом наддуве избыточное давление на впуске создается нагнетателем, приводимым в действие от коленчатого вала двигателя механической передачей (рис. 3).

При газотурбинном наддуве для привода нагнетателя используется часть энергии отработавших газов, поступающих в газовую турбину, установленную на одном валу с нагнетателем (рис. 4,5).

Для наддува ряда танковых дизелей применяют комбинированный наддув. В этом случае первой ступенью наддува является наддув от приводного нагнетателя, а второй – наддув нагнетателем, вращающимся с помощью газовой турбины.

При газодинамическом наддуве повышение плотности заряда на впуске в двигатель осуществляется за счет использования газодинамических явлений во впускной и выпускной системах в период газообмена. Достигается это путем подбора формы и размеров впускных и выпускных систем, но возможности такого наддува ограничены (рис. 6).

Рисунок 3 — Компрессоры для механического наддува

Рисунок 4 — Газотурбинный наддув

Рисунок 5 — Турбокомпрессоры для газотурбинного наддува

По типу нагнетателейразличают объемные нагнетатели (поршневые и роторные), лопаточные нагнетатели (центробежные и осевые).

Применение поршневых нагнетателей практикуется только в стационарных условиях. Роторные нагнетатели используются, как правило, при механическом наддуве.

Центробежные нагнетатели выгодно отличаются от объемных повышенными значениями КПД, компактностью, меньшими весом и шумностью работы. Их применение возможно как при механическом, так и при газотурбинном видах наддува.

Осевые нагнетатели рассчитываются, как правило, на большие расходы воздуха, выполняются многоступенчатыми и применяются в дизелях со сверхвысоким наддувом и в газотурбинных двигателях.

Рисунок 6 — Газодинамический наддув

3. Регулирование наддува

При увеличении частоты вращения двигателя давление над­дува повышается в степени 1,3. 1,5. Это связано с различием гид­равлических характеристик поршневых (ДВС) и лопаточных (ТКР) машин. Поэтому ТКР можно идеально настроить только на один ре­жим работы двигателя, при котором он будет обеспечивать задан­ное давление наддува и работать с наибольшим КПД. Обычно это точка внешней скоростной характеристики, расположенная на режиме максимального крутящего момента или между режимами максимального крутящего момента и номинальной мощности.

При отклонении от точки настройки в сторону снижения частоты вращения давление наддува будет падать по отношению к оптимальному, а при повышении частоты вращения − увеличиваться. И то, и другое ухудшает показатели двигателя.

При снижении давления наддува на малых частотах вращения двигателя уменьшается крутящий мо­мент и ухудшаются динамические качества автомобиля. Для пре­дотвращения повышения выбросов сажи из-за снижения давления наддува приходится уменьшать цикловую подачу топлива, что при­водит к дополнительному ухудшению динамики автомобиля.

При чрезмерном повышении давления наддува на высоких частотах вращения возрастают механические потери (на трение и газообмен), что приводит к снижению мощности и экономичности дизеля. Также повышаются тепловые нагрузки и тепловая напряженность деталей. Кроме того, в связи с чрезмерным увеличением давления наддува увеличивается максимальное давление сгорания и дости­гает опасного значения частота вращения ротора ТКР, что может привести к выходу из строя как двигателя, так и ТКР.

Отклонение нагрузки двигателя от режима настройки ТКР также приводит к снижению КПД последнего и, соответственно, ухудшению мощностных и экономических показателей двигателя.

Для решения данной проблемы на автомобильных двигателях применяются различные способы регулирования турбонаддува.

3.1. Внешние способы регулирования

Это наиболее простой способ, который давно применяется на быстроходных дизелях и бензиновых двигателях с турбонаддувом (рис. 7).

На входе в турбину устанавливается перепускной клапан, который при открытии направляет часть газа, минуя турбину, в выпускную систему. При этом ТКР настраивается так, чтобы обеспечи­вать высокое давление наддува на малых и средних частотах вра­щения двигателя, а на высокой частоте вращения дальнейший рост давления ограничивается путем открытия перепускного клапана. Электронный блок управления двигателем регулирует величину открытия клапана, обеспечивая оптимальное давление наддува на каждом режиме работы. Недостатком этой системы является снижение экономичности двигателя при открытом перепускном клапане, так как теряется часть энергии, затрачиваемой на сжатие воздуха в компрессоре ТКР.

Рисунок 7 — Схема ТКР с регулированием перепускного газа в обход турбины: 1 − электромагнитный клапан; 2 − вакуумный насос; 3 − вакуумная камера; 4 – ТКР; 5 − клапан перепуска ОГ; 6 − вход ОГ из двигателя; 7 − выход сжатого воздуха; 8 – турбина; 9 − компрессор

3.1.1. Наддув с использованием электродвигателя

На малых частотах вращения двигателя, когда давление над­дува недостаточно, можно применять подкрутку ротора ТКР элек­тродвигателем, интегрированным в корпус ТКР (система « e — turbo »). Либо в дополнение к штатному ТКР применяется компрессор, приводимый электродвигателем (система « e — turbo »).

Показатели дви­гателя при использовании обеих систем получаются близкими, но система «е- turbo » получается компактнее, чем «е- charger », хотя ин­тегрирование электродвигателя в корпус ТКР представляет собой сложную техническую задачу и возникает проблема перегрева элек­тродвигателя.

Недостатком обеих систем является большое потребление электрической энергии на привод компрессора, что приводит к бы­строму разряду аккумуляторной батареи автомобиля. Такие систе­мы рационально применять, к примеру, на тепловозных дизелях, ко­торые работают на генератор. В этом случае всегда имеется доста­точно электроэнергии.

3.1.2. Система наддува с ТКР и отключаемым приводным нагнетателем

Возможно регулирование наддува за счет отключения ПН в системах с последовательно установленными ПН и ТКР, как показа­но на рис. 8. На малых частотах вращения воздушная заслонка 3 закрыта, воздух проходит через ПН и ТКР. ТКР создает малое дав­ление наддува, а ПН − достаточно высокое, что обеспечивает хо­рошую динамику автомобиля в начале разгона и высокий крутящий момент на малых частотах вращения двигателя. При увеличении частоты вращения двигателя ТКР создает достаточно высокое дав­ление наддува и ПН отключается путем перепуска воздуха за счет открытия клапана 3. Одновременно с «гидравлическим» отключением ПН может отключатся механически с помощью электромагнитной муфты сцепления в механизме ременного привода. ПН также отключается на малых нагрузках.

Рисунок 8 — Система наддува с отключаемым ПН и ТКР:

1 − приводной шкив; 2 – ПН; 3 − воздушная заслонка; 4 − вход воздуха;
5 – ОНВ; 6 − выход ОГ; 7 – ТКР; 8 − двигатель

В результате мощность, отбираемая от двигателя на привод ПН, снижается до минимума, что обеспечи­вает высокую топливную экономичность.

Также применяются аналогичные системы с двумя последова­тельно установленными ТКР, в которых вместо отключаемого ПН используется отключаемый ТКР, создающий высокое давление на малых частотах вращения двигателя. Такие системы обеспечивают нескольку худшую разгонную динамику, но лучшую топливную эко­номичность.

3.2. Внутренние способы регулирования

3.2.1. Поворотные лопатки в сопловом направляющем аппарате (СНА) турбины

ТКР с поворотными лопатками на входе газа в турбину показан на рис. 9, а схема регулирования за счет поворота лопаток – на рис.10.

Рисунок 9 — Регулируемый турбокомпрессор с поворотными лопатками:

1 − вход ОГ из двигателя; 2 − колесо турбины; 3 − поворотные лопатки;
4 − вакуумная трубка; 5 − поворотное кольцо; 6 − отверстие

для подвода масла; 7 − выход сжатого воздуха

При малой частоте вращения лопатки повернуты на максимальный угол, обеспечивая минимальное проходное сечение СНА турбины.

Рисунок 10 — Схема регулирования турбины путем поворота лопаток:
а − закрытое положение лопаток, макс. скорость входа газа на колесо турбины; б − открытое положение лопаток, мин. скорость входа газа на колесо турбины; 1 − колесо турбины; 2 − поворотное кольцо; 3 − поворотная лопатка; 4 − приводной рычажок; 5 − пневматический регулятор; 6 − поток отработавших газов

При этом скорость газа на входе в колесо будет увеличиваться, что повышает частоту вращения ротора ТКР и, соответствен­но, давление наддува. Повышение противодавления на выпуске из цилиндров в этом случае не играет большой роли, так как на малых частотах вращения у двигателей с ТКР работа выталкивания невели­ка. При большой частоте вращения двигателя лопатки повернуты на минимальный угол, обеспечивая максимальное проходное сечение СНА. В этом случае скорость газа на входе в колесо турбины снижа­ется, что предотвращает повышение давления наддува.

Также снижается противодавление на выпуске из цилиндров, что приводит к снижению работы выталкивания и как следствие − повышению мощности и экономичности двигателя. Применению этого способа регулирования на малоразмерных ТКР препятствует заметное снижение КПД турбины в связи с сопротивлением, которое представляли собой лопатки в СНА на пути движения потока газа, потери, связанные с утечками через зазоры между лопатками и стенками СНА, а также трудности обеспечения работоспособности поворотных лопаток в условиях отложения сажи при малых зазорах.

С появлением аккумуляторных систем топливоподачи с элек­тронным управлением типа Common Rail выбросы сажи дизелями снизились в разы, что позволило уменьшить зазоры между лопат­ками и стенками СНА и применять поворотные лопатки в ТКР, имеющих значительные размеры. ТКР с таким способом регулирования применяется на автомобильных дизелях обычно рабочим объемом больше 2 л.

3.2.2. Скользящая втулка в СНА турбины

Перемещающаяся горизонтально скользящая втулка (рис. 11) может заходить в СНА турбины, существенно изменяя его проход­ное сечение. Как показано на рис. 11, а, при перемещении втулки до упора влево проходное сечение СНА турбины минимально (от­крыт только левый канал подвода газа к турбине), что обеспечивает увеличение скорости входа газа на лопатки колеса турбины и повы­шение давления наддува, а при перемещении вправо (рис. 11, б) − максимально (открыты оба канала подвода газа к турбине), что обеспечивает уменьшение скорости входа газа на лопатки колеса турбины и снижение давления наддува.

Рисунок 11 — Схема регулирования турбины ТКР

с помощью скользящей втулки: а − открыт только один канал подвода газов в корпусе турбины; б − открыты оба канала, подвода газов в корпусе турбины; 1 − колесо турбины; 2 − первый канал в корпусе турбины; 3 − второй канал в корпусе турбины; 4 − скользящая втулка; 5 − перепускной канал, 6 − привод скользящей втулки

Противодавление на выпуске из цилиндров изменяется анало­гично случаю поворотных лопаток в сопловом направляющем аппа­рате турбины, как описано выше. Огромным достоинством данного способа регулирования является возможность его применения на ТКР с самыми маленькими диаметрами колес, где невозможно ис­пользование поворотных лопаток в корпусе турбины. Это позволяет использовать такой способ регулирования на двигателях малого рабочего объема.

4. Устройство управления турбонаддувом двигателя внутреннего сгорания

Применение турбонаддува, основанного на использовании энергии отработавших газов двигателя, приводящих во вращение турбину турбокомпрессора и установленный с ней на одном валу компрессор, который сжимает воздух и нагнетает его во входной коллектора двигателя, является весьма эффективным решением.

Известно применение турбонаддува в двигателях внутреннего сгорания (Газотурбинный наддув двигателей внутреннего сгорания. М., Машгиз, 1961. 171 с. и Байков Б.П. и др. Турбокомпрессоры для наддува дизелей. Справочное пособие. М., «Машиностроение», 1975. 199 с.), направленного на увеличение выходной удельной мощности, уменьшение расхода потребляемого топлива и повышение коэффициента полезного действия двигателя.

Однако известные устройства имеют ряд негативных особенностей, характерных для двигателей с турбонаддувом, среди которых можно назвать эффект «турбоямы», под которым подразумевается запаздывание роста давления воздуха во входном коллекторе двигателя вследствие инерции нарастания давления выхлопных газов в турбине при резком нажатии на педаль акселератора. С другой стороны, после преодоления «турбоямы» имеет место резкое увеличение давления воздуха во входном коллекторе двигателя — так называемый «турбоподхват», также обусловленный инертностью турбокомпрессора.

Как известно, температура отработавших газов на выходе турбины турбокомпрессора может составлять несколько сот градусов, а их энергия используется неэффективно вследствие выброса в атмосферу. Двигатели внутреннего сгорания преобразуют приблизительно две трети энергии топлива в тепло, которое либо поглощается системой охлаждения двигателя внутреннего сгорания, либо выводится через выхлопную систему.

В основу разработанного технического решения положена задача создать устройство управления турбонаддувом двигателя внутреннего сгорания, в котором за счет управления утилизацией тепла отработавших газов обеспечивалось улучшение динамики управления, в частности достигалась компенсация эффектов «турбоямы» и «турбоподхвата», и, как следствие, повышалась приемистость двигателя внутреннего сгорания, что привело бы к повышению общего коэффициента полезного действия двигателя внутреннего сгорания.

Поставленная задача решается тем, что в устройстве управления турбонаддувом двигателя внутреннего сгорания, содержащем турбокомпрессор, включающий турбину, впуск которой соединен с выходным коллектором двигателя внутреннего сгорания, и компрессор, выход которого через дроссельную заслонку сообщен с входным коллектором двигателя внутреннего сгорания, теплообменник паровой турбины, впуск которой через регулируемую паровую заслонку, аккумулятор пара, обратный клапан и сепаратор сообщен с выходом теплообменника, а выпуск через обратный клапан соединен со входом конденсатора, выход которого сообщен с входом резервуара, насос, включенный между выходом резервуара и входом теплообменника, блок управления, информационные входы которого электрически связаны с датчиками температуры и давления, установленными на входе компрессора, входе дроссельной заслонки, на входном и выходном коллекторах двигателя внутреннего сгорания, блоке цилиндров двигателя внутреннего сгорания, аккумуляторе пара и теплообменнике, управляющий вход блока управления подключен к датчику акселератора, а его управляющие выходы подключены к дроссельной заслонке, регулируемой паровой заслонке, насосу, сепаратор, соединенный с выходом теплообменника и имеющий выход конденсата и выход пара, аккумулятор пара, вход которого через обратный клапан соединен с выходом пара сепаратора, первый выход аккумулятора пара сообщен через регулируемую паровую заслонку с впуском паровой турбины, при этом паровая турбина размещена на валу турбокомпрессора, предлагаемое устройствосодержит выхлопной патрубок, внутри которого установлены форсунки подачи пара и форсунки распыла жидкости, установленный на втором выходе аккумулятора пара управляемый двухканальный электромагнитный клапан первый канал которого сообщен с конденсатором, а второй с форсунками подачи пара в выхлопном патрубке, установленный на втором выходе сепаратора управляемый двухканальный электромагнитный клапан первый канал которого сообщен с резервуаром, а второй с насосом высокого давления, управляющие выходы блока управления подключены кроме того к управляемым двухканальным электромагнитным клапанам, а также к насосу высокого давления, для пополнения устройства жидкостью к резервуару подключена емкость с заправочной горловиной.

Технический результат предлагаемого устройства заключается в улучшении динамики управления, а именно минимизации эффектов «турбоямы» и «турбоподхвата», что повышает приемистость двигателя внутреннего сгорания. Названный технический результат достигается за счет организации управления турбонаддувом, функционирующего совместно с турбокомпрессором двигателя внутреннего сгорания, а также подачей жидкости или пара (или и то и другое) за турбиной турбокомпрессора, что позволяет обеспечить возрастание давления наддувочного воздуха на турбокомпрессоре и повышение частоты его вращения при резком увеличении топливоподачи акселератором.

Рисунок 12 – Устройство предлагаемой конструкции

Предложенное устройство имеет более эффективную систему регулировки потока наддувочного воздуха и использования энергии выхлопных газов.

Работа устройства поясняется чертежом. Связи, указанные между функциональными блоками, в общем случае являются многоканальными для обеспечения алгоритма работы устройства. Электропитание функциональных блоков осуществляться от бортового аккумулятора (на чертеже не показан).

Устройство управления турбонаддувом двигателя внутреннего сгорания 34 (рис.12) содержит турбокомпрессор 33, включающий турбину 1 и компрессор 3, выход которого через последовательно включенную дроссельную заслонку 4 сообщен с входным коллектором 5 двигателя внутреннего сгорания 34. Вход компрессора 3 соединен через воздушный фильтр (на чертеже не показан) с атмосферой, а на выпуске турбины 1 установлен теплообменник 6, на выходе которого закреплен выхлопной патрубок 26 и далее сообщен с атмосферой.

Устройство содержит блок 16 управления, информационные входы которого электрически связаны с датчиками температуры и давления, установленными на входе компрессора 3 (датчик 17), входе дроссельной заслонки 5 (датчик 18), на входном коллекторе 5 (датчик 19), блоке цилиндров (датчики 21,22), выходном коллекторе 2 (датчик 20) двигателя 34 внутреннего сгорания, в теплообменнике 6 (датчик 24), аккумуляторе пара 9 (датчик 23).

Кроме того, устройство содержит паровую турбину 7, установленную на одном валу с турбокомпрессором 33, конденсатор 13, вход которого через обратный клапан 12 сообщен с выпуском паровой турбины 7, а выход соединен с резервуаром 14 для жидкости (теплоносителя), в качестве которой может быть использована, например, вода. Резервуар 14 для жидкости соединен с емкостью 32 с заправочной горловиной для пополнения жидкостью. Выход резервуара 14 посредством трубопровода, на котором установлен насос 15, сообщен с входом теплообменника 6, выход которого сообщен с сепаратором 11, имеющим выход конденсата, который соединен с управляемым двухканальным электромагнитным клапаном 30, один выход которого сообщен со вторым входом резервуара 14 для жидкости, а второй сообщен с насосом высокого давления 31, который соединен с форсунками распыла жидкости 28 в выхлопном патрубке 26.

Выход пара из сепаратора 11 через обратный клапан 10 сообщен с аккумулятором 9 пара, первый выход которого через регулируемую паровую заслонку 8 сообщен с впуском паровой турбины 7, а его второй выход соединен с управляемым двухканальным электромагнитным клапаном 29, один выход которого сообщен с входом конденсатора 13, а второй сообщен с форсунками подачи пара 27 в выхлопном патрубке 26. Насос 15 и насос высокого давления 31 выполнены электрически управляемыми, управление которыми осуществляется блоком управления 16.

Регулируемая паровая заслонка 8, управляемый двухканальный электромагнитный клапан 29, управляемый двухканальный электромагнитный клапан 30 электрически управляемые, управление которыми осуществляется блоком управления 16.

Предложенное устройство включающее паровую турбину 7, конденсатор 13, резервуар 14 для жидкости, емкость 32, теплообменник 6, сепаратор 11 и аккумулятор пара 9, выхлопной патрубок 26 с установленными в нем форсунками подачи пара 27 и форсунками распыла жидкости 28 представляет собой средство утилизации отводящего тепла от двигателя внутреннего сгорания 34.

Управление турбонаддувом, реализуемое за счет управления утилизацией отводящего тепла, осуществляется посредством блока управления 16. К блоку управления 16 подключен датчик 25 акселератора.

Устройство управления турбонаддувом двигателя внутреннего сгорания работает следующим образом.

При запуске поршневого двигателя внутреннего сгорания 34 поток атмосферного воздуха поступает на вход компрессора 3 турбокомпрессора 33, где происходит сжатие воздуха, проводящее к его нагреву. Далее воздушный поток через дроссельную заслонку 4 поступает во входной коллектор 5 и далее в цилиндры поршневого двигателя внутреннего сгорания 34. Количество поступающего воздуха регулируется блоком управления 16 по сигналам датчика акселератора 25 и датчиков температуры и давления 17,18,19,20,21,22,23,24) путем управления дроссельной заслонкой 4.

Отработавшие газы, поступающие из выходного коллектора 2 поршневого двигателя внутреннего сгорания 34, направляются в турбокомпрессор 33, раскручивая установленные на общем валу турбину 1 и компрессор 3. Далее отработавшие газы, проходя через теплообменник 6, поступают в выхлопной патрубок 26 нагревая его стенки и далее в атмосферу. В теплообменнике 6 обеспечивается передача тепла от отработавших газов жидкости. По команде блока управления 16 насос 15 находится в отключенном положении, а жидкость из резервуара 14 в теплообменник 6 не поступает, который, соответственно, не генерирует пар.

Если на момент запуска поршневого двигателя внутреннего сгорания 34 пар в аккумуляторе пара 9 отсутствует или его количество недостаточное, например, после длительной стоянки транспортного средства, то паровая турбина 7 свободно вращается на валу турбокомпрессора 33. Если в аккумуляторе пара 9 имеется остаточный пар, то через регулируемую паровую заслонку 8 пар поступает на лопасти паровой турбины 7, создавая крутящий момент на валу турбокомпрессора 33.

По мере прогрева поршневого двигателя внутреннего сгорания 34 и, как следствие, увеличения температуры отработавших газов, повышается температура газов, поступающих на вход теплообменника 6. При нагреве теплообменника 6 до температуры, достаточной для парообразования жидкости, по сигналу датчика 24, установленного на теплообменнике 6, блок управления 16 формирует управляющий сигнал на включение насоса 15, который обеспечивает подачу жидкости в теплообменник 6. Интенсивность подачи жидкости на начальном этапе регулируется блоком управления 16 посредством изменения уровня управляющего сигнала, подаваемого на электрически управляемый насос 15 в соответствии с текущей температурой теплообменника 6, обеспечивая оптимальный процесс парообразования. Пар, который может содержать остаточное количество жидкости, поступает в сепаратор 11, где происходит разделение на фракции — жидкость и пар, при этом пар через обратный клапан 10 поступает в аккумулятор пара 9, а жидкость возвращается в резервуар 14 через управляемый двухканальный электромагнитный клапан 30 при открытом канале, сообщающем его с резервуаром 14.

В результате происходит наполнение паром аккумулятора пара 9, который через регулируемую паровую заслонку 8 подается на лопасти паровой турбины 7, создавая дополнительный крутящий момент на валу турбокомпрессора 33.

Пар с выпуска паровой турбины 7 через обратный клапан 12 поступает в конденсатор 13, где преобразуется в жидкость, которая поступает в резервуар 14. При достижении заданных значений температуры и давления пара в аккумуляторе пара 9 по сигналам датчика 23, установленного на аккумуляторе пара 9, блок управления 16 формирует управляющий сигнал, который подается на электрически управляемый насос 15 на снижение скорости перекачивания жидкости из резервуара 14 в теплообменник 6.

Таким образом, обеспечивается автоматическое поддержание температуры и давления пара в заданном рабочем диапазоне в аккумуляторе пара 9 и, соответственно, на входе регулируемой паровой заслонки 8.

Управление крутящим моментом паровой турбины 7 осуществляет блок управления 16 путем изменения положения регулируемой паровой заслонки 8 по сигналам датчика 25 акселератора, датчика 18 на выходе компрессора 3.

При резком нажатии на педаль акселератора и при наличии соответствующего сигнала с датчика акселератора 25 давление и температура отработавших газов и связанный с ними крутящий момент турбины 1 в силу тепловой инерции не может адекватно резко измениться. По управляющему сигналу с блока управления 16 в соответствии с сигналом с датчика акселератора 25 происходит практически мгновенное увеличение (от номинального значения) пропускной способности регулируемой паровой заслонки 8 и соответствующее увеличение крутящего момента паровой турбины 7, что позволяет минимизировать эффект «турбоямы» в поршневом двигателе внутреннего сгорания.

В случае недостаточной эффективности работы устройства управления турбонаддувом двигателя внутреннего сгорания и дальнейшим поступлением сигнала с датчика акселератора 25 блок управления 16 подает сигнал на управляемый двухканальный электромагнитный клапан 30, который перекрывает выход сообщенный с вторым входом резервуара 14 для жидкости, и открывает выход подачи предварительно разогретой в теплообменнике 6 жидкости от сепаратора 11на насос высокого давления 31. Одновременно блоком управления 16 подается управляющий сигнал на насос высокого давления 31 который подает жидкость под высоким давлением в выхлопной патрубок 26 к форсункам распыла жидкости 28, при этом предварительно разогретая мелкодисперсная распыленная в выхлопном патрубке 26 жидкость попадая на стенки выхлопного патрубка 26 и взаимодействуя с горячими выхлопными газами испаряется устремляясь на выход из выхлопного патрубка 26, тем самым создавая разряжение в выхлопной системе поршневого двигателя внутреннего сгорания 34 и понижая температуру, увлекая за собой поток выхлопных газов, дополнительно раскручивая турбину 1турбокомпрессора 33.

В случае недостаточной эффективности работы устройства управления турбонаддувом двигателя внутреннего сгорания и дальнейшим продолжающимся поступлением сигнала с датчика акселератора 25, блок управления 16 подает сигнал на управляемый двухканальный электромагнитный клапан 29, который перекрывает выход сообщенный с вторым входом в конденсатор 13 и открывает выход пара к форсункам подачи пара 27 в выхлопном патрубке 26, при этом пар взаимодействуя с выхлопными газами устремляются вместе с ними на выход в атмосферу тем самым понижая температуру в выхлопном патрубке 26 создавая разряжение в объёме выхлопного патрубка 26 и повышая тем самым скорость движения выхлопных газов через турбину 1 турбокомпрессора 33.

При этом блок управления 16 подает сигналы на управляемый двухканальный электромагнитный клапан 29, управляемый двухканальный электромагнитный клапан 30 и насос высокого давления 31 только в случае наличия сигнала с датчика акселератора 25, а также при соответствующих сигналах с датчиков 23 температуры и давления газов в аккумуляторе 9, и 24 температуры и давления в теплообменнике 6. Если температура или давление пара в аккумуляторе пара 9 или производительность его образования в теплообменнике недостаточные, то блок управления 16 управляющие сигналы на управляемые двухканальные электромагнитные клапаны 29,30 и насос высокого давления 31 не подает до момента поступления соответствующих сигналов с датчиков 25 и 24.

В устройстве управления турбонаддувом двигателя внутреннего сгорания предусмотрена некоторая потеря жидкости (пара) при работе форсунок подачи пара 27 и форсунок распыла жидкости 28, с целью обеспечения работы устройства, в устройстве установлена емкость 32 с заправочной горловиной для пополнения жидкости.

В целях снижения запаздывания реакции поршневого двигателя внутреннего сгорания 34 на нажатие педали акселератора и чрезмерное увеличение скорости вращения турбины 1 турбокомпрессора 33 с последующим резким возрастанием давления наддувочного воздуха на выходе компрессора 3 в предлагаемом устройстве в соответствии с информационным сигналом с датчика 18 на выходе компрессора 3, по управляющему сигналу с блока управления 16, будет произведено практически мгновенное снижение (от номинального значения) пропускной способности регулируемой паровой заслонки 8, закрытие канала подвода пара к форсункам подачи пара 27 и закрытие канала подачи жидкости к форсункам распыла жидкости 28 в выхлопном патрубке 26, подачей управляющих сигналов с блока управления 16 на управляемые двухканальные электромагнитные клапаны 29 и 30, что приведет к уменьшению крутящего момента паровой турбины 7 и позволит практически полностью исключить эффект «турбоподхвата» в поршневом двигателе внутреннего сгорания 34.

В случае возрастания давления пара в аккумуляторе пара 9 выше заданного критического значения, о чем будет сигнализировать датчик 23, блок управления 16 подаст команду на управляемый двухканальный электромагнитный клапан 29, через канал которого избыток пара, минуя паровую турбину 7, сбрасывается в конденсатор 13. Обратный клапан 12 исключает прохождение избытка пара к выпуску паровой турбины 7.

Для компенсации потери жидкости на распыл жидкости форсунками распыла жидкости 28 и подачу пара форсунками подачи пара 27 в выхлопной патрубок 26 к резервуару 14 подключена емкость 32 с заправочной горловиной в которую по мере необходимости заливается жидкость.

Устройство управления турбонаддувом двигателя внутреннего сгорания представляет собой систему автоматического регулирования наддувов двигателя, что обеспечивает улучшение динамики управления наддувом, а также повышает общий коэффициент полезного действия поршневого двигателя внутреннего сгорания.

Анализ устройства силовых установок автобронетанковой техники показал, что наиболее действенным способом повышения мощности двигателя является повышение среднего эффективного давления воздуха во впускном коллекторе путем его сжатия в компрессоре перед подачей его в цилиндры двигателя, то есть обеспечением наддува.

Совершенствование систем управления наддувом двигателя позволяет повысить общий КПД двигателя и эффективность его работы.

Разработанное в рамках военно-научной секции кафедры двигателей устройство управления турбонаддувом двигателя внутреннего сгорания позволяет обеспечить адаптивное управление наддувом, а также увеличение общего коэффициента полезного действия поршневого двигателя внутреннего сгорания.

Список использованных источников

1. Бурячко, В.Р. Автомобильные двигатели: Рабочие циклы. Показатели и характеристики. Методы повышения эффективности энергопреобразования. / В.Р. Бурячко, А.В. Гук. – СПб.: НПИКЦ, 2005. – 292 с.

2. Двигатели внутреннего сгорания. 1 кн. Теория рабочих процессов: Учеб. Для вузов / Под ред. В.Н. Луканина. – М.: Высш. шк., 2005. – 479 с.

3. Двигатели внутреннего сгорания: Теория поршневых и комбинированных двигателей / Под общ. ред. А.С. Орлина. Изд. 4-е. – М.: Машиностроение, 1983. – 372 с.

4. Кавтарадзе, Р.З. Теория поршневых двигателей. Специальные главы: Учебник для вузов / Р.З. Кавтарадзе. – М.: Изд-во МГТУ им.
Н.Э. Баумана, 2008. – 720 с.

5. Лазарев, Е.А. Основные принципы, методы и эффективность средств совершенствования процесса сгорания топлива для повышения технического уровня тракторных дизелей / Е.А. Лазарев. – Челябинск: Издательский центр ЮУрГУ, 2010. – 288 с.

6. Системы управления дизельными двигателями. Перевод с нем. – М.: ЗАО «КЖИ «За рулем», 2004. – 480 с.

7. Борисов, А.О. Рабочий процесс многотопливного поршневого двигателя / А.О. Борисов, М.Д. Гарипов, Р.Д. Еникеев, А.А. Чероусов. – Уфа: Изд-во УГАТУ, 2008. – 272 с.

8. Кудряш, А.П. Надежность и рабочий процесс транспортного дизеля / А.П. Кудряш. – Киев: Наукова думка, 1981. – 135 с.

9. Чернышев, Г.Д. Рабочий процесс и теплонапряженность автомобильных дизелей / Г.Д. Чернышов, А.С. Хачиян, В.И. Пикус. – М.: Машиностроение, 1986. – 181 с.

Наддув двигателей внутреннего сгорания, турбонаддув

Наддувом — называют принудительную подачу воздуха под давлением выше атмосферного. Если речь идет о наддуве двигателя внутреннего сгорания, то при наддуве сжатый воздух подается компрессором из атмосферы в полость цилиндра.

Двигатель с турбонаддувом

Схемы наддува

Для обеспечения наддува необходим компрессор, который должен сжимать воздух и нагнетать его в двигатель. Для работы необходимо вращать вал компрессора. Для привода компрессора можно использовать разные схемы.

Приводной нагнетатель — Komoressor

Схема наддува с компрессором

Вращать вал компрессора можно с помощью коленвала, установив дополнительную зубчатую или ременную передачу. Такую схему подачи воздуха называют наддувом с приводным нагнетателем. При вращении вала будет вращаться компрессорное колесо, которое будет нагнетать воздух во впускной коллектор двигателя. Иногда на автомобилях оснащенных подобной системой наддува наносят надпись — компрессор (Kompressor). Это простая, но далеко не самая экономичная схема.

Трубонаддув

Схема подключения турбонаддува к двигателю внутреннего сгорания

Для вращения вала компрессора можно использовать энергию отработавших газов, добавив в систему турбины. Выхлопные газы будут вращать турбинное колесо, установленное ка одном валу с компрессорным колесом. Компрессор, в свою очередь будет сжимать воздух и подавать его в двигатель. Такая схема называется турбонаддувом. По сравнению с приводным нагнетателем турбонаддув обладает большей задержкой, так как связь между двигателем и системой наддува не жесткая.

Как работает турбонаддув?

Смесь воздуха и топлива поступает в цилиндр двигателя, смесь сжимается при движении поршня вверх, затем она воспламеняется, из-за расширения газов, поршень вытесняется вниз. Двигаясь он вращает коленвал. Затем при движении воздуха вверх, через открывшиеся клапаны отработанные газы поступают в выходной коллектор.

Устройство турбонаддува

Поток газов имеет некоторую остаточную энергию достаточную для вращения рабочего колеса турбины. Частицы газа воздействуют на лопатки турбинного колеса, заставляя его вращаться. Турбинное и компрессорное колесо установлены на одном валу. При вращении турбины вращается и компрессор. В компрессоре лопатки рабочего колес воздействуют на воздух, попадающий из атмосферы. В результате этого воздействия частицы воздуха начинают вращаться вместе с колесом. При высокой скорости вращения частицы воздуха будут отбрасываться к периметру колеса в спиральный отвод и принудительно нагнетаться в во впускной коллектор, а затем и в полость цилиндра.

Комбинированные схемы

Сжатие воздуха может быть не одноступенчатым, а двухступенчатым. Причем рабочее колесо компрессора приводится во вращение турбиной, а для привода второй ступени используется механическая передача, соединенная с коленвалом. Такая схема позволяет сочетать достоинства приводного нагнетателя и турбонаддува, и делает работ у двигателя более приемистой. Однако недостаток приводного нагнетателя в виде плохой экономичности также никуда не пропадает.

Схема наддува с двухступенчатым компрессором

На на одних режимах работы мощность турбонаддува может быть недостаточна, на других — избыточна. Чтобы избавиться от этого недостатка, между турбиной и двигателем вводят дополнительную механическую связь. Через механическую или гидравлическую передачу. Это позволяет наиболее эффективно использовать мощность, но конструкция при этом сильно усложняется и удорожается, поэтому широкого применения эта схема не получила.

Турбонаддув с механической связью

Двухступенчатым может быть не только компрессор, но и турбина. Вторая ступень может использовать для привода во вращение вентиляторов и других вспомогательных устройств, или быть соединена с коленвалом.

Схема наддува с двухступенчатой турбиной

Дизель-турбина

На некоторых режимах работы турбина может развивать мощность достаточную для ее применения в качестве первичного двигателя.

Схема дизель-турбины

В этом случае двигатель и компрессор связывают механически, а между двигателем и турбиной осуществляется газовая связь. Подобный агрегат называют дизель-турбиной. Такая схема эффективна при очень высоких температурах отработанных газов. Для обеспечения надежности работы турбины рабочую температуру приходится снижать, что негативно сказывается на КПД агрегата.

Охлаждение при наддуве, для чего нужен интеркулер?

В процессе сжатия воздух нагревается, теплый воздух имеет меньшую плотность чем холодный. Плотный холодный воздух позволит повысить эффективность работы двигателя, поэтому для отвода ненужного тепла, используется интеркулер.

Схема установки интрекуллера в систему турбонаддува

Интеркулер — это теплообменник, который устанавливается между компрессором и впускным коллектором, он позволяет охладить сжатый воздух, переде его поступлением в двигатель.

Регулирование турбонаддува

Мощность наддува на некоторых режимах может быть избыточна, то есть воздух может сжиматься слишком сильно. Поэтому работу наддува нужно регулировать.

Сопротивление в линии нагнетания компрессора для регулировки

Для ограничения подачи компрессора можно установить на его входе или выходе сопротивление, в виде шайбы с отверстием расчетного диаметра. При увеличении расхода через отверстие сопротивление будет расти, что в свою очередь будет затруднять поступление воздуха в компрессор и или выход из него, за счет этого будет ограничиваться подача воздуха в двигатель.

Сопротивление в линии всасывания компрессора

Подобное сопротивление можно установить и перед турбиной. Но установка сопротивления увеличивает потери, что отрицательно скажется на КПД.

Сопротивление, установленное на турбине

Для того, чтобы сбрасывать часть воздуха только при определенном давлении на выходе компрессора можно установить предохранительный клапан. Запорный элемент клапан поджат пружиной, когда усилия от давления воздуха будет достаточно, чтобы сжать пружину клапан откроется и сбросить часть воздуха обратно в атмосферу.

Предохранительный клапан на компрессоре наддува

Перепускной клапан

Вестгейт или перепускной клапан позволяет пустить часть отработанных газов в обход турбины. Запорный элемент клапана поджат пружиной.

Перепускной клапан для регулировки турбонаддува

Давление отработанных газов воздействует на запорный элемент клапана, с другой стороны на него действует усилие пружины. Когда усилие от давления газов будет выше чем усилие пружины, клапан откроется и пропустить часть газов в обход пружины. Это достаточно простая и эффективная схема регулирования, которая применяется на большинстве современных двигателей с турбонаддувом. Однако часть энергии тратится впустую, что снижает КПД. Конечно можно направить поток газа не в выхлопную систему, а на другую турбину, для привода вспомогательных механизмов, но это усложнит конструкцию и сделает ее более дорогой.

Турбокомпрессор: сердце системы наддува воздуха

Для повышения мощности двигателей внутреннего сгорания широкое применение находят специальные агрегаты — турбокомпрессоры. О том, что такое турбокомпрессор, каких типов бывают эти агрегаты, как они устроены и на каких принципах основана их работа, а также об их обслуживании и ремонте читайте в статье.

Что такое турбокомпрессор?

Турбокомпрессор — основной компонент системы агрегатного наддува двигателей внутреннего сгорания, агрегат для повышения давления во впускном тракте двигателя за счет энергии отработавших газов.

Турбокомпрессор применяется для повышения мощности двигателя внутреннего сгорания без коренного вмешательства в его конструкцию. Данный агрегат повышает давление во впускном тракте двигателя, обеспечивая подачу в камеры сгорания увеличенного количества топливно-воздушной смеси. В этом случае сгорание происходит при более высокой температуре с образованием большего объема газов, что приводит к повышению давления на поршень и, как следствие, к росту крутящего момента и мощностных характеристик двигателя.

Применение турбокомпрессора позволяет увеличить мощность двигателя на 20-50% с минимальным увеличением его стоимости (а при более значительных доработках рост мощности может достигать 100-120%). Благодаря своей простоте, надежности и эффективности системы наддува на основе турбокомпрессоров находят самое широкое применение на всех типах транспортных средств с ДВС.

Типы и характеристики турбокомпрессоров

Сегодня существует большое разнообразие турбокомпрессоров, но их можно разделить на группы по назначению и применимости, типу используемой турбины и дополнительному функционалу.

По назначению турбокомпрессоры можно разделить на несколько типов:

  • Для одноступенчатых систем наддува — один турбокомпрессор на двигатель, либо два и более агрегатов, работающих на несколько цилиндров;
  • Для последовательных и последовательно-параллельных систем надува (различные варианты Twin Turbo) — два одинаковых или разных по характеристикам агрегата, работающих на общую группу цилиндров;
  • Для двухступенчатых систем наддува — два турбокомпрессора с различными характеристиками, которые работают в паре (последовательно друг за другом) на одну группу цилиндров.

Наиболее широкое применение находят одноступенчатые системы наддува, построенные на основе одного турбокомпрессора. Однако такой системе может присутствовать два или четыре одинаковых агрегата — например, в V-образных двигателях используются отдельные турбокомпрессоры на каждый ряд цилиндров, в многоцилиндровых моторах (более 8) могут применяться четыре турбокомпрессора, каждый из которых работает на 2, 4 или более цилиндров. Меньшее распространение получили двухступенчатые системы наддува и различные вариации Twin-Turbo, в них используется два турбокомпрессора с различными характеристиками, которые могут работать только в паре.

По применимости турбокомпрессоры можно условно разделить на несколько групп:

  • По типу двигателя — для бензиновых, дизельных и газовых силовых агрегатов;
  • По объему и мощности двигателя — для силовых агрегатов малой, средней и большой мощности; для высокооборотистых двигателей, и т.д.

Турбокомпрессоры могут оснащаться турбиной одного из двух типов:

  • Радиальной (радиально-осевой, центростремительной) — поток отработавших газов подается на периферию крыльчатки турбины, движется к ее центру и выводится в осевом направлении;
  • Осевой — поток отработавших газов подается вдоль оси (к центру) крыльчатки турбины и выводится с ее периферии.

Сегодня применяются обе схемы, но на двигателях небольшого объема чаще можно встретить турбокомпрессоры с радиально-осевой турбиной, а на мощных силовых агрегатах предпочтение отдается осевым турбинам (хотя это и не является правилом). Независимо от типа турбины, все турбокомпрессоры оснащаются центробежным компрессором — в нем воздух подается к центру крыльчатки и отводится от ее периферии.

Современные турбокомпрессоры могут иметь различный функционал:

  • Двойной вход — турбина имеет два входа, на каждый из них поступают отработавшие газы от одной группы цилиндров, такое решение снижает перепады давления в системе и улучшает стабильность наддува;
  • Изменяемая геометрия — турбина имеет подвижные лопасти или скользящее кольцо, посредством которых можно изменять поток отработавших газов на рабочее колесо, это позволяет изменять характеристики турбокомпрессора в зависимости от режима работы двигателя.

Наконец, турбокомпрессоры отличаются основными эксплуатационными характеристиками и возможностями. Из основных характеристик этих агрегатов следует выделить:

  • Степень повышения давления — отношение давления воздуха на выходе компрессора к давлению воздуха на входе, лежит в пределах 1,5-3;
  • Подача компрессора (расход воздуха через компрессор) — масса воздуха, проходящая через компрессор за единицу времени (секунду), лежит в пределах 0,5-2 кг/с;
  • Рабочий диапазон оборотов — лежит в пределах от нескольких сотен (для мощных тепловозных, промышленных и иных дизелей) до десятков тысяч (для современных форсированных двигателей) оборотов в секунду. Максимальная скорость ограничена прочностью рабочих колес турбины и компрессора, при слишком высокой скорости вращения за счет центробежных сил колесо может разрушиться. В современных турбокомпрессорах периферийные точки колес могут вращаться со скоростями 500-600 и более м/с, то есть — в 1,5-2 раза быстрее скорости звука, это и обуславливает возникновение характерного свиста турбины;
  • Рабочая/максимальная температура отработавших газов на входе в турбину — лежит в пределах 650-700°С, в отдельных случаях достигает 1000°С;
  • КПД турбины/компрессора — обычно составляет 0,7-0,8, в одном агрегате КПД турбины обычно меньше КПД компрессора.

Типовая схема системы агрегатного наддува воздуха ДВС

Типовая схема системы агрегатного наддува воздуха ДВС

Также агрегаты отличаются размерами, типом монтажа, необходимостью применять вспомогательные компоненты и т.д.

Конструкция турбокомпрессора

В общем случае турбокомпрессор состоит из трех основных узлов:

  1. Турбина;
  2. Компрессор;
  3. Корпус подшипников (центральный корпус).

Турбина — агрегат, преобразующий кинетическую энергию отработавших газов в механическую энергию (в крутящий момент колеса), которая обеспечивает работу компрессора. Компрессор — агрегат для нагнетания воздуха. Корпус подшипников связывает оба агрегата в единую конструкцию, а расположенный в нем вал ротора обеспечивает передачу крутящего момента от колеса турбины на колесо компрессора.

Разрез турбокомпрессора

Разрез турбокомпрессора

Турбина и компрессор имеют схожую конструкцию. Основой каждого из этих агрегатов выступает корпус-улитка, в периферийной и центральной части которого расположены патрубки для соединения с системой наддува. У компрессора впускной патрубок всегда находится в центре, выпускной (нагнетательный) — на периферии. Такое же расположение патрубков у осевых турбин, у радиально-осевых турбин расположение патрубков обратное (на периферии — впускной, в центре — выпускной).

Внутри корпуса располагается колесо с лопатками специальной формы. Оба колеса — турбинное и компрессорное — удерживаются общим валом, который проходит через корпус подшипников. Колеса — цельнолитые или составные, форма лопаток турбинного колеса обеспечивает максимально эффективное использование энергии отработавших газов, форма лопаток компрессорного колеса обеспечивает максимальный центробежный эффект. В современных турбинах высокого класса могут использоваться составные колеса с керамическими лопатками, которые имеют низкую массу и обладают лучшими характеристиками. Размер колес турбокомпрессоров автомобильных двигателей — 50-180 мм, мощных тепловозных, промышленных и иных дизелей — 220-500 и более мм.

Оба корпуса монтируются на корпус подшипников с помощью болтов через уплотнения. Здесь располагаются подшипники скольжения (реже — подшипники качения специальной конструкции) и уплотнительные кольца. Также в центральном корпусе выполняются масляные каналы для смазки подшипников и вала, а в некоторых турбокомпрессорах и полости водяной рубашки охлаждения. При монтаже агрегат соединяется с системами смазки и охлаждения двигателя.

В конструкции турбокомпрессора могут быть предусмотрены и различные вспомогательные компоненты, в том числе детали системы рециркуляции отработавших газов, масляные клапаны, элементы для улучшения смазки деталей и их охлаждения, регулировочные клапаны и т.д.

Детали турбокомпрессора изготавливаются из специальных марок стали, для колеса турбины применяются жаропрочные стали. Материалы тщательно подбираются по коэффициенту температурного расширения, что обеспечивает надежность конструкции на различных режимах работы.

Турбокомпрессор включается в систему наддува воздуха, в которую также входят впускной и выпускной коллекторы, а в более сложных системах — интеркулер (радиатор охлаждения наддувного воздуха), различные клапаны, датчики, заслонки и трубопроводы.

Принцип работы турбокомпрессора

Принцип работы турбокомпрессора

Принцип работы турбокомпрессора

Функционирование турбокомпрессора сводится к простым принципам. Турбина агрегата внедряется в выпускную систему двигателя, компрессор — во впускной тракт. Во время работы мотора выхлопные газы поступают в турбину, ударяются о лопатки колеса, отдавая ему часть своей кинетической энергии и заставляя ее вращаться. Крутящий момент от турбины посредством вала напрямую передается на колеса компрессора. При вращении колесо компрессора отбрасывает воздух на периферию, повышая его давление — этот воздух подается во впускной коллектор.

Одиночный турбокомпрессор имеет ряд недостатков, основной из которых — турбозадержка или турбояма. Колеса агрегата имеют массу и некоторую инерцию, поэтому не могут мгновенно раскручиваться при повышении оборотов силового агрегата. Поэтому при резком нажатии на педаль газа турбированный двигатель разгоняется не сразу — возникает короткая пауза, провал мощности. Решением этой проблемы служат специальные системы управления турбиной, турбокомпрессоры с изменяемой геометрией, последовательно-параллельные и двухступенчатые системы наддува, и другие.

Вопросы обслуживания и ремонта турбокомпрессоров

Турбокомпрессор нуждается в минимальном техническом обслуживании. Главное — вовремя производить замену масла и масляного фильтра двигателя. Если мотор еще может какое-то время работать на старом масле, то для турбокомпрессора оно может стать смертельно опасным — даже незначительное ухудшение качества смазочного материала на высоких нагрузках может привести к заклиниванию и разрушению агрегата. Также рекомендуется периодически очищать детали турбины от нагара, что требует ее разбора, однако эту работу следует выполнять только с применением специального инструмента и оборудования.

Неисправный турбокомпрессор в большинстве случаев проще заменить, чем ремонтировать. Для замены необходимо использовать агрегат того же типа и модели, что был установлен на двигателе ранее. Монтаж турбокомпрессора с иными характеристиками может нарушить работу силового агрегата. Подбор, монтаж и настройку агрегата лучше доверять специалистам — это гарантирует правильное выполнение работ и нормальную работу двигателя. При правильной замене турбокомпрессора двигатель снова обретет высокую мощность и сможет решать самые сложные задачи.

Другие статьи

#Омывающие жидкости
29.09.2023 | Статьи о запасных частях

Зима и лето, два полюса, между которыми меняется весь наш мир. И в этом мире существуют омывающие жидкости — помощники, которые обеспечивают нашу безопасность на дороге. В этой статье мы окунемся в мир омывающих жидкостей и узнаем, какие они бывают, от чего зависит их температура замерзания и как их правильно выбрать.

#Рассухариватель клапанов
21.06.2023 | Статьи о запасных частях

Замена клапанов двигателя внутреннего сгорания затрудняется необходимостью съема сухарей — для этой операции используются специальные рассухариватели клапанов. Все об этом инструменте, его существующих типах, конструкции и принципе действия, а также о его выборе и применении читайте в данной статье.

#Переключатель света с регулировкой шкалы
14.06.2023 | Статьи о запасных частях

Во многих отечественных автомобилях ранних выпусков широко использовались центральные переключатели света с реостатом, позволяющим регулировать яркость подсветки приборов. Все о данных устройствах, их существующих типах, конструкции, работе, а также об их правильном выборе и замене читайте в статье.

#Пластина распределителя зажигания
07.06.2023 | Статьи о запасных частях

Одной из основных деталей распределителя зажигания является опорная пластина, отвечающая за функционирование прерывателя. Все о пластинах прерывателя, их существующих типах и конструктивных особенностях, а также о подборе, замене и регулировках данных компонентов подробно рассказано в данной статье.

Турбины дизельных двигателей – устройство и принцип работы

Турбины дизельных двигателей – устройство и принцип работы

Начало массового производства грузовых машин с турбированным дизельным двигателем началось еще в 80-е годы, с развитием производства тяжёлых промышленных и сельскохозяйственных тракторов.

Дизельные моторы имеют гораздо большую степень сжатия воздуха, а их выхлопные газы – более низкую температуру. Требования к жаропрочности турбины гораздо меньше, а её стоимость и эффективность использования – больше. Турбокомпрессор выполняет задачу по нагнетанию воздуха под давлением в цилиндры мотора. Чем больше будет воздуха, тем больше топлива можно сжечь, что приведет к увеличению мощности двигателя без увеличения объема имеющихся цилиндров.

В нашем автосервисе можно произвести диагностику и ремонт дизельных турбин любых производителей. Специалисты сервиса работают на современном оборудовании (стендах), и имеют большой опыт. Монтаж и демонтаж на месте. Гарантия на работы 2 года.

Типы дизельных компрессоров

  • Раздельныйкомпрессор – имеет два сопла для каждой пары цилиндров, и два входа для отработавших газов. Первое сопло предназначено для быстрого реагирования, второе служит для максимальной производительности. В конструкции есть разделенные выпускные каналы. Это сделано для предотвращения перекрытия каналов при выпуске выхлопных газов.
  • Компрессор с переменным соплом – турбина с изменяемой геометрией, применяется на моторах с маркировкой TDI от «Фольксваген». Здесь в конструкции имеется 9 подвижных лопастей. Они могут регулировать поток выхлопных газов, что идут к турбине. Угол наклона лопастей – регулируемый, что позволяет согласовать давление нагнетаемого воздуха и скорость движения газов с оборотами ДВС.

Для большей производительности на автомобиль может быть установлено два компрессора. Такие системы получили маркировку «Твин-турбо».

Устанавливаются данные механизмы последовательно. При этом первая турбина работает на низких оборотах, а вторая на высоких. На V-образных моторах нагнетатели устанавливаются параллельно (на каждый ряд по одной турбине). Как показывает практика, установка двух небольших компрессоров значительно эффективнее, чем применение одного, но большого.

Устройство турбины дизельного двигателя

Турбонаддув имеет конструкцию из двух элементов: турбина и компрессор.

  • Турбина состоит из корпуса с ротором внутри. Поскольку все элементы устройства взаимодействуют с газами высокой температуры, они изготавливаются из специальных материалов, невосприимчивых к такому воздействию.
  • Компрессор усиливает поступление воздуха в топливную систему. Составные части компрессора находятся в алюминиевом корпусе. Внутри находится ротор, закрепленный на оси турбины. Вращаясь, ротор вбирает воздух: большая скорость вращения приводит к большему количеству попавшего внутрь воздуха. Для набора скорости существует турбина.

Ротор и ось, на которой он закреплен, вращаются в разных направлениях. Частота вращения довольно велика, поэтому элементы плотно прижимаются друг к другу.

Принцип работы дизельной турбины

  • Компрессор обеспечивает поступление воздуха из окружающей среды, который смешивается с дизельным топливом и затем направляется в цилиндры
  • Топливно-воздушная смесь загорается, начинают двигаться поршни. По ходу этого процесса образуются газы, поступающие в выпускной коллектор
  • Скорость движения газов, оказавшихся в корпусе, значительно возрастает. Вступая во взаимодействие с ротором, они приводят его во вращающееся положение
  • Вращение передается компрессорному ротору (за это отвечает вал), который снова втягивает новую порцию воздуха

Работа основывается на принципе: чем сильнее вращается ротор, тем больше поступает воздуха, но при этом ротор увеличивает скорость вращения, если количество воздуха возрастает.

Чтобы понять работу турбонаддува, надо уяснить что такое – турбоподхват и турбояма.

  • Турбоподхват – ситуация, когда набравший скорость ротор увеличивает поступление воздуха в цилиндры, следствием чего становится повышение мощности двигателя.
  • Турбояма – момент небольшой задержки, наблюдаемый в работе турбины при увеличении количества поступившего горючего, что достигается нажатием на педаль газа. Задержка вызвана временем, которое нужно ротору для его разгона газами.
    Крыльчатка турбокомпрессора способна развивать до двухсот тысяч оборотов в минуту, благодаря чему данное устройство отличается большой инерционностью или, говоря иначе, имеет «турбо-яму», которая проявляется при резком нажатии на педаль газа. В этот момент крыльчатка медленно приводится в движение, и приходится некоторое время ждать, чтобы автомобиль начал набирать скорость.
    Этот эффект имеет продолжительность всего несколько секунд, но, тем не менее, он не доставляет особого удовольствия при разгоне машины. На сегодняшний день производители смогли устранить эффект «турбо-ямы» путем установки двух перепускных клапанов. Один предназначен для выработанных газов, задача второго состоит в том, чтобы перепускать избыток воздуха в трубопровод турбокомпрессора из впускного коллектора.
    Благодаря этой системе обороты крыльчатки при сбросе газа уменьшаются в замедленном темпе, в то время как при резком нажатии на педаль акселератора происходит поступление воздушной массы в двигатель в полном объеме.

Турбонаддув увеличивает давление отработанных газов за счет более интенсивной работы двигателя. В то же самое время повышается и давление наддува: этот процесс требует контроля и регулировки, поскольку при достижении высоких значений велика вероятность поломки. Функции регулировки давления возложены на клапан, контролем предельно возможных значений занимаются мембрана и пружина с определенными значениями жесткости (когда достигается максимально допустимая величина, мембрана открывает клапан).

Контроль давления при работе турбины

  • Компрессор через клапан, дабы снизить давление, сбрасывает лишний забранный воздух;
  • Когда давление поступившего воздуха достигает максимально допустимой величины, клапан выпускает газы, и ротор вращается с требуемой скоростью, а компрессор всегда забирает только нужное количество воздуха.

Правила эксплуатации

Чтобы дизельная турбина работала с максимальным КПД и как можно дольше не выходила из строя, нужно придерживаться определенных правил в процессе эксплуатации автомобиля:

  • Придерживаться графика замены масла, что позволит не допустить засорения маслопровода абразивами;
  • Использовать качественное моторное масло, соответствующее по характеристикам в паспорте двигателя;
  • Не трогаться сразу после включения мотора – движок должен быть прогрет;
  • Сразу после прекращения движения не выключать двигатель, дав ему хотя бы 10 секунд поработать на холостых оборотах.

Использование двух турбокомпрессоров

Также все чаще стали выпускаться дизельные двигатели с двумя турбинами (Bi-Turbo), что позволяет производителям не только добиваться потрясающий мощности от дизельных автомобилей, но снижать уровень вредных веществ в выхлопе до рекордных значений.

Недавно также стали появляться турбины, которые могут работать, как от электричества, так и традиционно от газа, поступающего из выхлопной системы. Благодаря этому инженеры добились максимальной мощности и крутящего момента при небольших оборотах двигателя.

На некоторые двигатели устанавливается два турбокомпрессора разного размера. Малый турбокомпрессор быстрее набирает обороты, снижая тем самым задержку ускорения, а большой обеспечивает больший наддув при высокой скорости вращения двигателя.

Когда воздух сжимается, он нагревается, а при нагревании воздух расширяется. Поэтому повышение давления от турбокомпрессора происходит в результате нагревания воздуха до его впуска в двигатель. Для того, чтобы увеличить мощность двигателя, необходимо впустить в цилиндр как можно больше молекул воздуха, при этом не обязательно сжимать воздух сильнее.

Дополнительные устройства

Охладитель воздуха или охладитель наддувочного воздуха является дополнительным устройством, которое выглядит как радиатор, только воздух проходит как внутри, так и снаружи охладителя. При впуске воздух проходит через герметичный канал в охладитель, при этом более холодный воздух подается снаружи по ребрам при помощи вентиляторов охлаждения двигателя.

Охладитель увеличивает мощность двигателя, охлаждая сжатый воздух от компрессора перед его подачей в двигатель. Это значит, что если турбокомпрессор сжимает воздух под давлением 7 фунт/дюйм2 (0,5 бар), охладитель осуществит подачу охлажденного воздуха под давлением 7 фунт/дюйм2 (0,5 бар), который является более плотным и содержит больше молекул, чем теплый воздух. Турбокомпрессоры также обладают преимуществом на большой высоте, где плотность воздуха ниже. Обычные двигатели будут работать слабее на большой высоте над уровнем моря, т.к. на каждый ход поршня подаваемая масса воздуха будет меньше. Мощность двигателя с турбокомпрессором также снизится, но менее заметно, т.к. разреженный воздух легче сжимать.

При установке мощного турбокомпрессора на двигатель с впрыском топлива, система может не обеспечить необходимое количество топлива — либо программное обеспечение контроллера не допустит, либо инжекторы и насос не смогут осуществить необходимую подачу. В этом случае необходимо осуществлять уже другие модификации для максимального использования преимуществ турбокомпрессора.

Турбины с изменяемой геометрией (VNT)

Она также известна под названием – трубина с переменным соплом. Данный тип турбины используется в дизельных двигателях. Девять подвижных лопастей, установленных в турбокомпрессоре, регулируют прохождение потока газов к турбине. Увеличение и блокировка потока газов достигается при помощи привода, регулирующего угол наклона девяти лопастей. Скорость потока газов и давление нагнетаемого воздуха согласуются с количеством оборотов двигателя во время изменения угла наклона лопастей.

Некоторые двигатели используют несколько турбокомпрессоров. Возможно использование двух (Твин Турбо), трех или же четырёх. В таких конструкциях они устанавливаются последовательно. Первый используется при низких оборотах, второй при высоких. Также существует схема установки компрессоров, при которой они располагаются параллельно друг другу. Такая система используется на V-образных двигателях. На каждый ряд цилиндров приходится по компрессору.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *