Классификация, принцип работы и устройство автомобильных двигателей (Часть 6)

План лекции

1.3.8. Наддув в ДВС

1.3.9. Система выпуска отработавших газов.

1.3.8. Наддув в ДВС

Эффективным средством повышения мощности и гибкости работы двигателя является наддув. Он позволяет подать в цилиндры дополнительное количество воздуха и соответственно увеличить подачу топлива в рабочем цикле, в результате чего увеличивается мощность двигателя.

В ДВС применяют три типа наддува:

резонансный – при котором используется кинетическая энергия объема воздуха во впускных коллекторах (без нагнетателя);
механический – в этом варианте компрессор приводится во вращение от двигателя
газотурбинный (или турбонаддув) – турбина приводится в движение потоком отработавших газов.

У каждого способа свои преимущества и недостатки, определяющие область применения.

Резонансный наддув

Для лучшего наполнения цилиндра необходимо увеличить давление перед впускным клапаном. Данное повышение давления желательно в период окончания процесса впуска с целью поступления в цилиндр дополнительной порции свежего заряда. Для кратковременного повышения давления используются волновые явления, происходящие во впускной системе и в частности волна сжатия, движущаяся по впускному трубопроводу при работе ДВС. Необходимо рассчитать длину трубопровода, чтобы волна, несколько раз отразившись от его концов, пришла к клапану в нужный момент. Впускной клапан при различной частоте вращения коленчатого вала открыт неодинаковое время, а потому для использования эффекта резонансного наддува требуются впускные трубопроводы переменной длины. При коротком впускном коллекторе ДВС лучше работает на высоких оборотах, при низких оборотах более эффективен длинный впускной тракт. Переменные длины впускных трубопроводов можно создать двумя способами: или путем подключения резонансной камеры, или через переключение на нужный впускной канал или его подключение. Последний вариант называют еще динамическим наддувом. Как резонансный, так и динамический наддув могут ускорить течение впускного столба воздуха. Эффекты наддува, создаваемые за счет колебаний напора воздушного потока, находится в диапазоне от 5 до 20 миллибар. Для сравнения: с помощью турбонаддува или механического наддува можно получить значения в диапазоне между 750 и 1200 миллибар. Также существует еще инерционный наддув, при котором основным фактором создания избыточного давления перед клапаном является скоростной напор потока во впускном трубопроводе. Такой наддув дает незначительную прибавку мощности при высоких (больше 140 км/ч) скоростях движения. Используется в основном на мотоциклах.

Рис. 1.41. Настраиваемый впускной коллектор

Механический наддув

Механические нагнетатели (по англ. supercharger) позволяют сравнительно несложно значительно поднять мощность ДВС. Имея привод непосредственно от коленчатого вала двигателя, компрессор способен подавать воздух в цилиндры при минимальных оборотах и без задержки увеличивать давление наддува пропорционально оборотам мотора. К недостаткам механического наддува относятся следующие: снижение КПД двигателя, так как на привод расходуется часть мощности, вырабатываемой силовым агрегатом, системы механического наддува занимают больше места, требуют специального привода (зубчатый ремень или шестеренчатый привод) и являются источником повышенного шума.

Рис. 1.42. Механические нагнетатели

Существует два вида механических нагнетателей: объемные и центробежные.

Типичными представителями объемных нагнетателей являются нагнетатель Roots и компрессор Lysholm. Объемные нагнетатели поднимают кривые мощности и крутящего момента, не изменяя их формы. Они эффективны уже на малых и средних оборотах, что наилучшим образом сказывается на динамике разгона. Недостатком таких нагнетателей являются высокая стоимость, сложность изготовления и установки.

Конструкция Roots напоминает масляный шестеренчатый насос. Два ротора вращаются в противоположные стороны внутри овального корпуса. Оси роторов связаны между собой шестернями. Особенность такой конструкции в том, что воздух сжимается не в нагнетателе, а снаружи – в трубопроводе, попадая в пространство между корпусом и роторами. Основной недостаток – в ограниченном значении наддува, при достижении определенного давления воздух начинает просачиваться назад, снижая КПД системы. Для устранения данного недостатка используются следующие способы: увеличение скорости вращения роторов, применение двух- и трехступенчатых нагнетателей. Таким образом, можно повысить значения давления до необходимого уровня, однако многоступенчатые конструкции являются достаточно громоздкими. В современных конструкциях применяются трехзубчатые роторы спиральной формы, а впускное и выпускное окна имеют треугольную форму. Невысокие скорости вращения роторов, а следовательно, долговечность конструкции, а также низкий шум способствуют широкому применению конструкции Roots фирмами DaimlerChrysler, Ford и General Motors.

Инженер Лисхольм (Lysholm) предложил нагнетать во впускной коллектор воздух под избыточным давлением винтовым нагнетателем, или «double screw» (двойной винт). Внутри корпуса установлены два взаимодополняющих винтовых насоса (шнека). Вращаясь в разные стороны, они захватывают порцию воздуха, и сжимают ее. Винтовые нагнетатели эффективны практически во всем диапазоне оборотов двигателя, бесшумны, очень компактны, но отличаются высокой стоимостью из-за сложности в изготовлении. Они нашли широкое применение в основном в тюнинг-ателье (AMG, Kleemann).

Центробежные нагнетатели по конструкции напоминают турбонаддув. Избыточное давление во впускном коллекторе также создает компрессорное рабочее колесо (крыльчатка). Его радиальные лопасти захватывают и отбрасывают воздух от центра к периферии при помощи центробежной силы. Отличие от турбонаддува заключается лишь в приводе. Центробежные нагнетатели имеют недостаток связанный с их инерционностью. Фактически величина производимого давления пропорциональна квадрату скорости компрессорного колеса. Вращаться колесо должно очень быстро, чтобы надуть в цилиндры необходимый воздушный заряд, порой в десятки раз превышая обороты двигателя. Эффективен центробежный нагнетатель на высоких оборотах. Механические центробежные нагнетатели не так сложны в обслуживании и долговечнее газодинамических, поскольку работают при менее экстремальных температурах. Отличаются неприхотливость и дешевизной конструкции.

Схема управления механическим нагнетателем заключается в следующем. При полной нагрузке заслонка перепускного трубопровода закрыта, а дроссельная открыта – весь поток воздуха поступает в двигатель. При работе с частичной нагрузкой дроссельная заслонка закрывается, а заслонка трубопровода открывается – избыток воздуха возвращается на вход нагнетателя. Входящий в схему охладитель наддувочного воздуха (Intercooler) является почти непременной составной частью не только механических, но и газотурбинных систем наддува. При сжатии в компрессоре (либо в нагнетателе) воздух нагревается, в результате чего его плотность уменьшается. Это приводит к тому, что в рабочем объеме цилиндра воздуха, а, следовательно, и кислорода, по массе помещается меньше, чем могло бы поместиться при отсутствии нагревания. Поэтому сжатый воздух перед подачей его в цилиндры двигателя предварительно охлаждается в интеркулере. По своей конструкции это обычный радиатор, который охлаждается либо потоком набегающего воздуха, либо охлаждающей жидкостью. Понижение температуры наддувочного воздуха на 10 градусов позволяет увеличить его плотность примерно на 3%. Это, в свою очередь, позволяет увеличить мощность двигателя примерно на такой же процент.

Рис. 1.43. Схема механического наддува

Газотурбинный наддув

Более широко на современных автомобильных двигателях применяются турбокомпрессоры. По сути, это рассматриваемый ранее центробежный компрессор, но с другой схемой привода, что является принципиальным отличим механических нагнетателей от " турбо". Именно схема привода в значительной мере определяет характеристики и области применения тех или иных конструкций. У турбокомпрессора крыльчатка-нагнетатель находится на одном валу с крыльчаткой-турбиной, которая встроена в выпускной коллектор двигателя и приводится во вращение отработавшими газами. Частота вращения может превышать 200.000 об/мин. Прямой связи с коленчатым валом двигателя нет, и управление подачей воздуха осуществляется за счёт давления отработавших газов

Рис. 1.44. Газотурбинный наддув

К достоинствам турбонаддува относят: повышение КПД и экономичности мотора (механический привод отбирает мощность у двигателя, этот же использует энергию отработавших газов, следовательно, КПД увеличивает). Турбонаддув дает возможность достичь заданных характеристик силового агрегата при меньших габаритах и массе, чем в случае применения " атмосферного" двигателя. Кроме того, у турбодвигателя лучшие экологические показатели. Наддув камеры сгорания приводит к снижению температуры и, следовательно, уменьшению образования оксидов азота. В бензиновых двигателях наддувом добиваются более полного сгорания топлива, особенно на переходных режимах работы. В дизелях дополнительная подача воздуха позволяет сместить границу возникновения дымности, т. е. уменьшить с выбросы частиц сажи. Дизели существенно лучше приспособлены к наддуву вообще, и к турбонаддуву в частности, в отличие от бензиновых моторов, в которых давление наддува ограничивается опасностью возникновения детонации. Дизель можно наддувать вплоть до достижения предельных механических нагрузок в его механизмах. Давление выхлопных газов дизеля в 1, 5-2 раза выше, чем у бензинового мотора, что позволяет турбокомпрессору обеспечить эффективный наддув с самых низких оборотов, избежав свойственного бензиновым турбомоторам провала - " турбоямы". Отсутствие дроссельной заслонки в дизеле позволяет обеспечить эффективное наполнение цилиндров на всех оборотах без применения сложной схемы управления турбокомпрессором. Турбокомпрессоры просты в изготовлении, что окупает ряд присущих им недостатков.

Основными способами уменьшения инерционности турбокомпрессора являются следующие. В первую очередь, снижение массы вращающихся деталей турбины и компрессора. Снижение массы достигается не только конструкцией ротора, но и выбором для него соответствующих материалов. Основная сложность при этом – высокая температура отработавших газов. Металлокерамический ротор турбины примерно на 20 % легче изготовленного из жаростойких сплавов и к тому же обладает меньшим моментом инерции. Избавиться от недостатков турбокомпрессора позволяет не только уменьшение инерционности ротора, но и применение дополнительных, иногда довольно сложных схем управления давлением наддува. Основные задачи при этом — уменьшение давления при высоких оборотах двигателя и повышение его при низких. Полностью решить все проблемы можно использованием турбины с изменяемой геометрией (Variable Nozzle Turbine), например, с подвижными (поворотными) лопатками, параметры которой можно менять в широких пределах. Принцип действия VNT турбокомпрессора заключается в оптимизации потока выхлопных газов, направляемых на крыльчатку турбины. На низких оборотах двигателя и малом количестве выхлопных газов VNT турбокомпрессор направляет весь поток выхлопных газов на колесо турбины, тем самым, увеличивая ее мощность и давление наддува. При высоких оборотах и высоком уровне газового потока турбокомпрессор VNT располагает подвижные лопатки в открытом положении, увеличивая площадь сечения и отводя часть выхлопных газов от крыльчатки, защищая себя от превышения оборотов и поддерживая давление наддува на необходимом двигателю уровне, исключая перенаддув.

Рис. 1.45. VNT турбокомпрессор

Комбинированные системы

Помимо одиночных систем наддува часто встречается двухступенчатый наддув. Первая ступень — приводной компрессор — обеспечивает эффективный наддув на малых оборотах ДВС, а вторая — турбонагнетатель — утилизирует энергию выхлопных газов. После достижения силовым агрегатом достаточных для нормальной работы турбины оборотов, компрессор автоматически выключается, а при их падении вновь вступает в действие.

Рис. 1.46. Двухступенчатый наддув

Ряд производителей устанавливают на свои двигатели сразу два турбокомпрессора. Такие системы называют «битурбо» или «твинтурбо». «Битурбо» подразумевает использование разных по диаметру, а, следовательно, и производительности, турбин. Алгоритм их включения может быть как параллельным, так и последовательным (секвентальным). На низких оборотах быстро раскручивается и вступает в работу турбонаддув с турбиной малого диаметра, на средних к нему подключается турбонаддув с турбиной большого диаметра. Таким образом, выравнивается разгонная характеристика автомобиля. Основная задача «твинтурбо» заключается не в сглаживании «турбоямы», а в достижении максимальной производительности. При этом используются две одинаковые турбины. В данном случае, две небольшие и менее инерционные турбины могут оказаться эффективнее одной большой.

Необходимо отметить, что турбонаддув имеет недостатки, связанные в основном с надежностью работы турбокомпрессора. Так, ресурс турбокомпрессора существенно меньше ресурса двигателя. Турбокомпрессор предъявляет жесткие требования к качеству моторного масла. Неисправный агрегат может полностью вывести из строя сам двигатель. Кроме того, собственный ресурс турбодизеля несколько ниже такого же атмосферного дизеля из-за большой степени форсирования. Такие двигатели имеют повышенную температуру газов в камере сгорания, и чтобы добиться надежной работы поршня, его приходится охлаждать маслом, подаваемым снизу через специальные форсунки.

1.3.9. Система выпуска отработавших газов

Система выпуска отработавших газов предназначена для отвода отработавших газов из цилиндров двигателя, а также снижения шума и токсичности.

Система выпуска отработавших газов включает следующие основные элементы (см. рис. 1.47): 1 – выпускной клапан; 2 – выпускной тракт (канал, коллектор, трубопровод); 3 – приемная труба глушителя; 4 – дополнительный глушитель (резонатор); 5 – основной глушитель; 6 – соединительный хомут.

Также в системе впуска современных двигателей установлены устройства для уменьшения вредных веществ в отработавших газах: каталитический нейтрализатор, сажевый фильтр (на дизельных двигателях).

Рис. 1.47. Схема системы выпуска отработавших газов

Выпускной тракт обеспечивает непосредственный отвод отработавших газов. Форма и размеры выпускного тракта (коллектора и трубопровода) определяют характер колебательного процесса отработавших газов в выпускной системе, и в итоге влияют на мощность и крутящий момент двигателя. Колебательный процесс отработавших газов в выпускной системе должен быть согласован с колебательным процессом топливо-воздушной смеси во впускной системе. На выпускной коллектор приходится высокая температурная нагрузка, поэтому он изготавливается, как правило, из жаропрочного чугуна.

Глушитель [3] (см. рис. 1.48) выполняет следующие основные функции: снижение уровня шума отработавших газов; преобразование энергии отработавших газов, снижение их скорости, температуры, пульсации.

Отработавшие газы, покидающие цилиндры двигателя, имеют высокое давление. Движение отработавших газов по выпускной системе связано с распространением волн, движущихся со скоростью звука. Глушитель преобразует энергию звуковых колебаний в тепловую энергию, чем достигается снижение уровня шума до определенного (заданного) значения. Вместе с тем с применением глушителя в выпускной системе создается противодавление, которое приводит к некоторому снижению мощности двигателя.

В глушителе используется несколько технологий снижения уровня шума:

– расширение (сужение) потока;

– изменение направления потока;

– интерференция звуковых волн;

– поглощение звуковых волн.

Расширение потока реализовано посредством нескольких камер разного объема, разделенных перегородками. Позволяет эффективно гасить низкочастотные звуковые колебания. Наряду с расширением в глушителе осуществляется сужение потока с помощью диафрагменного отверстия (дросселя). Используется для гашения высокочастотного шума.

Рис. 1.48. Глушители: а) – дополнительный глушитель (резонатор); б) – основной глушитель 1 – корпус; 2 – теплоизоляция; 3 – глухая перегородка; 4 – перфорированная труба; 5 – дроссель; 6 – передняя перфорированная труба; 7 – впускной патрубок; 8, 10, 12 перегородки; 9 – выпускной патрубок; 11 – задняя перфорированная труба; 13 – корпус

В глушителе, за исключением прямоточных глушителей, предусматривается изменение направления движения потока отработавших газов. Угол поворота потока находится в пределах 90-360°, чем достигается гашение средне- и высокочастотных звуковых колебаний.

Интерференция звуковых волн, в зависимости от характера их наложения, приводит к увеличению (конструктивная интерференция) или уменьшению (деструктивная интерференция) амплитуды колебаний. В глушителе используются оба вида интерференции. Технология реализована с помощью перфорационных отверстий в трубах глушителя. Изменяя размер отверстий и объем окружающей трубу камеры можно добиться гашения звуковых колебаний в широком диапазоне частот.

При прохождении звуковых волн через специальный звукопоглощающий материал происходит их поглощение. Данный способ эффективен при гашении высокочастотных звуковых колебаний.

Для достижения наибольшего эффекта данные технологии в глушителях используются, как правило, в комплексе.

В современных автомобилях устанавливается от одного до пяти глушителей, в основном – два. Для каждой конкретной модели автомобиля и марки двигателя используется свой набор глушителей.

Резонатор служит для предварительного снижения уровня шума и гашения пульсаций потока отработавших газов. Конструктивно резонатор представляет собой перфорированную трубу, помещенную в металлический корпус. Для повышения эффективности гашения колебаний в трубе выполняется дроссельное отверстие.

Основной глушитель обеспечивает окончательное шумоподавление. Он имеет более сложную конструкцию. В металлическом корпусе размещается несколько перфорированных трубок. Корпус разделен перегородками на 2-4 камеры. Некоторые камеры могут заполняться звукопоглощающим материалом. В основном глушителе поток отработавших газов многократно меняет свое направление (лабиринтный глушитель).

Лекция № 7

⇐ Предыдущая 1 2 3 4 5 678 Следующая ⇒