Системи наддуву ДВЗ

Призначення систем наддуву ДВЗ – підвищення масового наповнення циліндрів двигуна свіжим зарядом. Досягається це звичайно за допомогою спеціальних пристроїв чи агрегатів наддуву. Двигуни з такими системами називаються комбінованими. Системи наддуву дуже різноманітні за принципом дії і, відповідно, по ознаках класифікації.

У комбінованих ДВЗ повітря чи пальна суміш перед надходженням у циліндри стискується в компресорах. Наддув вважається низьким, якщо в компресорі p_к < 1.9. Низький наддув дозволяє підвищити потужність двигунів на 20-25%. При середньому наддуві (p_к = 1.9-2.5) удається підвищити її на 25-50%. Високий наддув (p_к > 2.5) ще більше збільшує потужність, однак його застосування найчастіше не виправдане внаслідок значного росту механічної, теплової напруженості деталей і вузлів.

Наддув циліндрів двигунів може бути або динамічним, або здійснюваним за допомогою спеціального нагнітача (компресора). У сучасних ДВЗ для наддуву використовуються як об'ємні (роторно-шестерні, гвинтові, поршневі), так і лопаткові відцентрові компресори. Газові турбіни найчастіше бувають радіально-осьовими, рідше - осьовими.

Розрізняють три системи наддуву за допомогою нагнітачів: із приводним компресором, з турбокомпресором і комбіновану (малюнок 11.1).

1 2 3

Малюнок 11.1 – Схеми систем наддуву ДВЗ

У першій схемі приводний компресор через підвищувальну передачу з'єднують з колінчастим валом двигуна. Для привода турбокомпресора (схема 2) використовують енергію відпрацьованих газів, що надходять у газову турбіну. Компресор установлюють на одному валу з газовою турбіною. У випадку комбінованої системи (схема 3) першою ступінню є приводний компресор, а другою - турбокомпресор. Двоступінчастий наддув може здійснюватися двома послідовно розташованими турбокомпресорами чи приводними компресорами.

На тракторних і автомобільних дизелях найчастіше застосовують газотурбінний наддув.

При цьому можливі два основних варіанти використання енергії:

1. Енергія, споживана компресором, дорівнює енергії, яка виробляється газовою турбіною. У цьому випадку турбокомпресор має лише газовий зв'язок із двигуном (малюнок 11.1.2). Така схема забезпечує високі економічні показники при максимальному спрощенні конструкції і тому найбільш поширена. У таких двигунах утилизується енергія відпрацьованих газів, що дозволяє в деяких випадках навіть підвищити ККД двигуна.

2. Енергія, яка виробляється газовою турбіною, не дорівнює енергії, яку споживає компресор. Різниця енергії передається від двигуна до турбокомпресора за рахунок застосування механічного зв'язку ротора турбокомпресора з колінчастим валом двигуна, що ускладнює конструкцію останнього. Іноді в цих випадках замість механічного зв'язку ротора турбокомпресора з колінчастим валом застосовують комбіновану систему наддуву.

Механічний зв'язок застосовують і у випадках, коли необхідно передавати надлишкову енергію від газової турбіни до двигуна при високих тисках наддуву і температурах газів перед турбіною.

Можливі два варіанти підведення газів до газової турбіни:

1) із загального випускного трубопроводу;

2) окремо від кожного циліндра чи від групи циліндрів, у якій відповідно до порядку їхньої роботи час між двома послідовними імпульсами тиску, що утворяться при випуску газів з циліндрів, виявляється досить великим (імпульсний наддув).

У першому випадку, особливо в двигунах з великим числом циліндрів і високою частотою обертання, тиск газів у випускному трубопроводі вирівнюється, амплітуда коливання тиску перед турбіною невелика і процес підведення газів до турбіни можна розглядати як той, який відбувається при постійному тиску. В другому випадку відпрацьовані гази надходять до газової турбіни з перемінним тиском, що дозволяє за певних умов підвищити ефективність наддуву.

Підведення газів до турбіни при постійному тиску створює підвищені опори у випускному тракті двигуна в порівнянні з випуском в атмосферу. Це погіршує очищення циліндрів і зменшує наповнення їх свіжим зарядом.

При імпульсному наддуві після періоду випуску газів з одного циліндра до початку перекриття клапанів тиск у випускному тракті різко знижується. У результаті цього збільшується перепад тиску між впускним і випускним трактами й очищення камер згоряння стає більш ефективним. Зменшується робота, що затрачена на виштовхування газів. В міру збільшення тиску наддуву і росту середнього тиску газів у випускному тракті позитивний ефект від застосування імпульсного наддуву знижується, тому що імпульси тиску згладжуються. Максимальний ефект в імпульсній системі наддуву досягається при p_к < 0.15 МПа, при p_к < 0.4 МПа застосування імпульсного наддуву вже не дає ефекту. Для досягнення найбільшого ефекту при імпульсному наддуві випускні трубопроводи роблять по можливості короткими і меншого об'єму. В імпульсних системах використовується кінетична енергія відпрацьованих газів, однак, погіршується очищення циліндрів двигуна від відпрацьованих газів, що є загальним недоліком усіх систем газотурбінного наддуву.

В автотракторних дизелях при числі циліндрів 8 і більш переважно застосовуються системи з постійним тиском перед турбіною. ККД таких турбін вище, ніж імпульсних, а система випуску виходить більш простою.

Слід зазначити також меншу (у порівнянні з двигунами без наддуву) пристосовність і гірші пускові властивості двигунів з наддувом.