Комбинированный наддув

Способ повышения давления воздуха на впуске в цилиндры двигателя при помощи сочетания турбокомпрессора с приводным центробежным нагнетателем называется комбинированным наддувом.

На рис. 7.13 приведена схема двигателя с комбинированным наддувом. Воздух поступает сначала в турбокомпрессор 1, являющийся первой ступенью, а затем в приводной центробежный нагнетатель 2, являющийся второй ступенью наддува.

Вследствие того что на долю турбокомпрессора падает только часть работы сжатия воздуха, условия его работы получаются более выгодными, что дает возможность обеспечить очень большие высотности.

При двухступенчатом наддуве общее сжатие воздуха получается очень большим и соответственно с этим сильно повышается его температура. Чтобы предотвратить понижение мощности за счет повышения температуры, устанавливают радиатор 3 для охлаждения воздуха. Радиатор ставят или между ступенями, или после обеих ступеней.

В двигателях с комбинированным наддувом возможно два варианта работы:

1) турбокомпрессор включается в работу только после расчетной высоты ПЦН;

2) турбокомпрессор включается в работу одновременно с ПЦН, т. е. с момента запуска двигателя.

Высотная характеристика двигателя при условии включения ТК на расчетной высоте ПЦН дана на рис. 7.14.

На участке высот 0 — Н_Р1 работает один ПЦН. Турбокомпрессор не работает (выхлопные газы отводятся через дроссельную заслонку 4 в атмосферу, см. рис.16.7.13). Высота H_P1 является расчетной высотой ПЦН, на которой его заслонка 5 полностью открывается, и в то же время высотой включения турбокомпрессора, так как начиная с этой высоты дроссельная заслонка турбокомпрессора начинает прикрываться, увеличивая тем самым количество выхлопных газов, поступающее на лопатки турбины.

Мощность двигателя от земли и до высоты H_Р1 (см. рис. 7.14) возрастает так же, как и мощность двигателя с одним ПЦН. При дальнейшем наборе высоты работают одновременно оба нагнетателя, т. е. ПЦН и турбокомпрессор. Давление наддува от высоты H_Р1 до высоты H_P2 поддерживается постоянным за счет постепенного увеличения числа оборотов турбокомпрессора, при этом мощность двигателя (при отсутствии радиатора 3, см. рис. 7.13) уменьшается за счет повышения температуры воздуха на впуске.

Высота H_P2 является расчетной высотой турбокомпрессора и двигателя. На этой высоте дроссельная заслонка 4 перепуска газов полностью закрыта и все выхлопные газы проходят через газовую турбину. При дальнейшем наборе высоты давление наддува и мощность двигателя начинают уменьшаться.

Удельный расход топлива с увеличением высоты изменяется примерно так, как это показано на рис. 7.14.

При втором варианте турбокомпрессор включается в работу начиная с земли. Рассмотрим случай, когда заданное давление наддува р_к обеспечивается на земле при несколько прикрытой заслонке 5 (см. рис. 7.13), установленной на входе в ПЦН. Далее будем считать, что с подъемом на высоту положение заслонки 5 остается неизменным и что сохранение постоянства наддува P_K обеспечивается за счет увеличения числа оборотов турбокомпрессора при уменьшении перепуска газов в атмосферу заслонкой 4. Допустим также, что в данном случае радиатор 3 включен и поддерживает постоянную температуру Тк на входе в двигатель, равную температуре Тк на уровне земли.

При этих условиях вплоть до некоторой высоты H_P, на которой заслонка 4 полностью перекрывает выход газов в атмосферу, давление и температура воздуха на входе в двигатель будут сохраняться постоянными и равными температуре и давлению на уровне земли. Противодавление на выпуске газов из цилиндров двигателя за счет перекрывания заслонки 4 вследствие падения давления окружающей среды также будет изменяться очень мало.

Высотная характеристика при этом варианте работы турбокомпрессора и ПЦН дана на рис. 7.15.

Как видно из рис. 7.15, от земли и до высоты H_P мощность и удельный расход топлива остаются практически постоянными. На высоте больше H_P при прежнем положении дроссельной заслонки 5 (см. рис. 7.13) давление наддува и мощность уменьшаются, а удельный расход топлива соответственно увеличивается.

Так как мы приняли, что расчетное давление наддува до высоты H_P получается при неполностью открытой дроссельной заслонке 5, то, очевидно, путем открытия последней можно сохранить расчетное давление наддува постоянным до некоторой высоты, большей H_P.

Очевидно, что на высотах, где расчетное давление наддува достигается при неполном открытии дроссельной заслонки 5, возможно осуществлять форсирование двигателя путем дополнительного открытия дроссельной заслонки.

Характеристики поршневого двигателя с нагнетателем подавлению наддува P_K

Характеристикой поршневого двигателя с нагнетателем по давлению наддува называется зависимость эффективной мощности и удельного расхода топлива от изменения величины давления наддува Р_К при постоянном числе оборотов.

Такие характеристики снимаются или рассчитываются обычно для ряда чисел оборотов и наносятся на общий график, в котором по оси абсцисс откладывается давление наддува Р_К, а по оси ординат — эффективная мощность N_e и эффективный удельный расход топлива С_е. Так как мощность двигателя зависит от высоты полета, то для каждой высоты строится своя группа характеристик.

Примерная сетка таких характеристик, снятая для некоторой определенной высоты, представлена на рис. 7.16.

Защита систем

Уже в 30-х годах многие фирмы устанавливали турбонаддув на свои модели. Тогда же появились многие устройства, ставшие теперь обязательными для агрегатов турбонаддува. Во-первых, это клапан, перепускающий выхлопные газы, если обороты турбины слишком велики. Не будь этого клапана, стал бы возможен режим, когда обороты двигателя растут неконтролируемо: выхлопных газов все больше, соответственно, все выше обороты турбины и количество нагнетаемого воздуха: В таком случае поломка мотора неизбежна. Перепускным клапаном управляет давление воздуха во впускном коллекторе: если оно выше допустимого, клапан открывается и часть отработавших газов идет в глушитель, минуя турбину. Этого конструкторам и, естественно, водителям показалось мало, ведь и торможение, и последующий разгон турбины требуют определенного времени, стало быть, быстрой реакции ожидать опять-таки не приходится.

Рис.7.17 Клапан перепуска отработавших газов:
А - камера атмосферного давления; Б - камера управляющего давления; 1 - мембрана; 2 - клапан.

Поэтому, кроме собственно агрегата наддува, установили два перепускных клапана: один - для отработавших газов, а другой - чтобы перепускать излишний воздух из коллектора двигателя в трубопровод до компрессора. Этот клапан также управляется давлением во впускном коллекторе. Таким образом, частота вращения ротора турбины при сбросе газа снижается незначительно, и при последующем увеличении газа задержка подачи воздуха составляет десятые доли секунды - время закрытия клапана. Перепуск отработавших газов здесь уже не регулятор, а лишь ограничитель числа оборотов турбины.

Повсеместное проникновение электроники в управление двигателем не могло оставить вне своей сферы систему турбонаддува. Оба упомянутых выше клапана сохранились, но вот управляет ими уже не давление в коллекторе, а электрические сервомоторы или включенные в пневматическую систему электрические клапаны. Это дает возможность учитывать не только нагрузку на двигатель, но и множество других факторов: детонацию в цилиндрах, тепловой режим мотора, токсичность выхлопных газов и т. д.

Контрольные вопросы по теме №7