Наддув, назначение и способы наддува

Наддув цилиндров двигателей может быть либо динамическим, либо осуществляться при помощи специального нагне­тателя (компрессора).

Различают три системы наддува при помощи нагнетателей: с приводным компрессором, с газотурбокомпрессором и комбиниро­ванную.

Рис. 32. Системы наддува двигателей

Приводной компрессор 1 (рис. 32, а) через повышающую пе­редачу 2 сое-диняют с коленчатым валом 3 двигателя. Для привода газотурбокомпрессора (рис. 32, б) используют энергию отрабо­тавших газов, поступающих в газовую турбину 4. Компрессор 1 ус­танавливают на одном валу с газовой турбиной 4. В случае комби­нированной системы (рис. 32, в) первой ступенью является при­водной компрессор, а второй — газотурбокомпрессор.

На тракторных и автомобильных дизелях, устанавливаемых на строитель-ные и дорожные машины, чаще всего применяют газо­турбинный наддув.

При этом возможны два основных варианта использования энергии:

1. Энергия, потребляемая компрессором, равна энергии, выраба­тываемой газовой турбиной. В этом случае газотурбокомпрессор имеет лишь газовую связь с двигателем (рис. 32, б). Такая схема обеспечивает высокие экономические показатели при максималь­ном упрощении конструкции и поэтому наиболее распространена.

2. Энергия, вырабатываемая газовой турбиной, не равна энер­гии, потреб-ляемой компрессором. Разница энергии передается от двигателя к газотур-бокомпрессору (или наоборот) за счет примене­ния механической связи рото-ра газотурбокомпрессора с коленча­тым валом двигателя, что усложняет кон-струкцию последнего. Та­кую схему применяют при наддуве двухтактных ди-зелей в тех слу­чаях, когда не удается обеспечить баланса энергий газовой турби­ны и компрессора, не ухудшая существенно продувку и наполнение цилиндров. Иногда в этих случаях вместо механической связи ро­тора газотурбокомпрессора с коленчатым валом применяют комби­нированную систему наддува (рис. 32, в).

Возможны два варианта подвода газов к газовой турбине: 1) из общего выпускного трубопровода; 2) отдельно от каждого цилинд­ра или от группы цилиндров, в которой в соответствии с порядком их работы, время между двумя последовательными импульсами давления, образующимися при выпуске газов из цилиндров, оказы­вается достаточно большим (импульсный наддув).

В первом случае, особенно в двигателях с большим числом ци­линдров и высокой частотой вращения, давление газов в выпускном трубопроводе выравнивается, амплитуда колебания давления перед турбиной невелика и процесс подвода газов к турбине можно рас­сматривать, как происходящий при постоянном давлении. Во вто­ром случае отработавшие газы поступают к газовой турбине с пе­ременным давлением, что позволяет повысить эффективность над­дува.

Подвод газов к турбине при постоянном давлении создает повышенные сопротивления в выпускном тракте двигателя по сравне­нию с выпуском в атмосферу. Это ухудшает очистку цилиндров и уменьшает наполнение их свежим зарядом. При импульсном над­дуве после периода выпуска газов из одного цилиндра к началу перекрытия клапанов давление в выпускном тракте резко снижает­ся. В результате этого увеличивается перепад давления между впускным и выпускным трактами, и очистка камер сгорания стано­вится более эффективной. Уменьшается работа, затрачиваемая на выталкивание газов.

По мере увеличения давления наддува р_к и роста среднего дав­ления газов в выпускном тракте положительный эффект от приме­нения импульсного наддува снижается, так как импульсы давления сглаживаются. Максимальный эффект в импульсной системе надду­ва достигают при р_к<0,15 МПа, при р_к>0,4 МПа применение им­пульсного наддува уже не дает эффекта.

Следует подчеркнуть, что при определенном сочетании числа и располо-жения цилиндров двигателя для одной объединенной группы цилиндров дав-ление перед турбиной может соответствовать условиям импульсного наддува, а для другой — условиям наддува при постоянном давлении.

В двигателях, устанавливаемых на строительные и дорожные машины, в большинстве случаев применяют импульсные системы наддува. Для дости-жения наибольшего эффекта при импульсном наддуве следует выпускные трубопроводы делать по возможности короткими и меньшего объема.

Основные параметры, характеризующие газотурбокомпрессор: степень повышения давления в компрессоре п_к=р'_к/р. Применением низкого наддува (до п _к= 1,5) можно повысить но­минальную мощность двигателя на 20—30% по сравнению с базо­вой моделью без наддува. Средний наддув (п _к=1,5-:-2,2) может обеспечить прирост мощности на 30—45%. Для дальнейшего увели­чения мощности применяют высокий наддув (п _к>2,2), что сопряже­но со значительным ростом тепловой и механической напряженнос­ти деталей двигателя.

Частота вращения ротора современных газотурбокомпрессоров составляет 40 000—80 000 об/мин и лимитируется допускаемой ве­личиной окружной скорости диска турбины, которая по условиям прочности не должна превы-шать 250—350 м/с. Кроме этого, по ус­ловиям прочности лимитируется и тем-пература газов перед турби­ной, которая не должна превышать 600—700° С.