Форсування двигунів шляхом збільшення тиску заряду(наддув).Види та схеми наддува.

Форсування двигунів шляхом збільшення тиску заряду(наддув).Види та схеми наддуву

План

1.Історія  виникнення наддуву

2.  Агрегатне надування

3.   Історія винаходу турбокомпрессора

4.   Будова системи турбонаддування

5.    Принцип роботи системи турбонаддування

Наддува́ння у двигунах внутрішнього згоряння — підвищення тиску повітря у системі впуску у двигун внутрішнього згоряння з метою збільшення подачі пального і, відповідно, потужності, що знімається з одиниці робочого об'єму двигуна.

Наддування зазвичай застосовують з метою підвищення потужності (на 20…45%) без збільшення маси і габаритів двигуна, а також для компенсації падіння потужності двигуна умовах високогір'я чи на великих висотах в атмосфері. Наддування з можливістю регулювання за складом паливо-повітряної суміші може застосовуватися для забезпечення повноти згоряння палива, а отже, і для зниження токсичності та димності відпрацьованих газів.

історія

У 1860 році у США брати Рутс (англ. Philander Roots and Francis Marion Roots), засновники «Roots Blower Company» у Коннерсвіллі (Індіана), запатентували конструкцію ротаційно-поршневого повітряного нагнітача об'ємного типу для використання у доменних печах та інших промислових цілей. Першим, хто застосував[1] нагнітач для подачі повітря у двигун внутрішнього згоряння (1878) був британець Дугалд Клерк (англ. Dugald Clerk), що першим винайшов і сконструював клапанний двотактний двигун[2].

У тому ж році німець Генріх Крігар (нім. Heinrich Krigar) запатентував конструкцію компресора гвинтового типу (патенти Німеччини No 4121, No 7116).

У 1885-86 роках німецький інженер Готліб Даймлер отримав патенти декількох країн (German patent No.DRP 36423, US349983[3]) на чотиритактний двигун внутрішнього згоряння у якому передбачив принцип нагнітання повітря.

У 1902 р. у Франції Луї Рено запатентував проект відцентрового нагнітача, а вже в 1905 р. принцип дії турбонагнітача, що працював на енергії вихлопних газів, вперше описав і запатентував (Імператорський патент за № 204630[4], патент США[5] та патент Швейцарії CH 35259A) швейцарський винахідник Альфред Бюхі (нім. Alfred Büchi, 1879–1959)[6][7].

Однак швидке рішення задачі (літрова потужність дійсно помітно збільшилася) виявилося не таким вдалим, як уявлялося спочатку. Істотне зростання виділення тепла, яке несли відпрацьовані гази, передчасно виводив з ладу випускні клапани, поршні і систему охолодження. Невідповідність конструкції і матеріалів, які застосовувались затримала розвиток наддування в автомобільних двигунах ще на декілька десятків років.

Агрегатне наддування

Для агрегатного наддування використовують компресори, турбокомпресори або компресори разом з турбокомпресорами. Воно поділяється за джерелом і способом підведення механічної енергії на:

• механічне наддування, де використовується компресор, що урухомлюється від колінчастого вала двигуна;

• турбонаддування, де компресор (переважно відцентровий) приводиться в дію турбіною, яку приводять в рух вихлопні гази двигуна. Цей принцип отримав найбільше поширення;

• наддування типу «Comprex», яке полягає у використанні тиску відпрацьованих газів безпосередньо на потік повітря що подається у двигун;

• електричне наддування, де використовується нагнітач, який обертається електродвигуном;

• комбіноване наддування поєднує у собі декілька схем, зазвичай мова йде про суміщення механічного наддування та турбонаддування.

Агрегатне наддування застосовують майже на всіх видах транспортних дизельних двигунів (автомобільних, суднових, тепловозних, тракторних). Характеристки роботи систем наддування на бензинових двигунах обмежуються умовами виникненням детонації паливо-повітряної суміші.

До основних недоліків агрегатного наддування відносять:

• підвищення механічної і теплової напруженості деталей двигуна внаслідок зростання тиску і температури газів;

• зниження економічності;

• ускладнення конструкції.

Історія винаходу

Історія розвитку турбокомпресорів почалася приблизно у той же час, що й створення перших зразків двигунів внутрішнього згоряння. У 1885–1896 роках Готтліб Даймлер і Рудольф Дізель проводили дослідження з підвищення вихідної потужності двигуна і зниження споживання палива шляхом стиснення повітря, що нагнітається в камеру згоряння.

Принцип турбонаддуваня було запатентовано швейцарським інженером Альфредом Бюхі (нім. Alfred Büchi, 1879–1959), який ще у 1905 році в Німеччині, отримав Імператорський патент за № 204630^[1] а у 1911 патент США^[2]. Автор винаходу вперше успішно здійснив нагнітання за допомогою вихлопних газів, отримавши при цьому зростання потужності на 120%. Ця подія поклала початок поступовому розвитку та впровадженню турботехнологій у конструкції двигунів внутрішнього згоряння.

Сфера використання перших турбокомпресорів обмежувалася великими двигунами, зокрема, корабельними. В авіації з деяким успіхом турбокомпресори використовувалися на винищувачах з двигунами Рено ще під час Першої світової війни. До другої половини 1930-х розвиток технологій дозволив створювати дійсно вдалі авіаційні турбонагнітачі, які забезпечували форсування двигунів в основному з метою підвищення висотності. Найбільших успіхів у цьому досягли американці, встановивши турбонагнітачі на важкі винищувачі P-38 та бомбардувальники Boeing B-17 Flying Fortress у 1938 році. В 1941 році у США було створено винищувач Republic P-47 Thunderbolt с турбонагнітачем, що забезпечив йому видатні льотні характеристики на великих висотах.

На легковому автомобілі торгової марки Cord (модель 812) турбонаддування було використане ще у 1937 році^[3]. Цей автомобіль з переднім приводом мав потужність двигуна 170 к.с., проте через банкрутство виробника компанії Cord Automobile у 1937 році масового поширення набути не встиг.

У 1938 р. на заводі «Swiss Machine Works Sauer» було створено перший турбодвигун для вантажного авто. Першими масовими легковими автомобілями, що оснащувались турбінами були Chevrolet Corvair Monza і Oldsmobile з двигуном моделі Turbo Jetfire, що вийшли на американський ринок у 1962–1963 р. Незважаючи на очевидні технічні переваги, низький рівень надійності призвів до швидкого зняття з виробництва цих моделей.

Початок використання турбодвигунів на спортивних автомобілях, зокрема у Формулі-1, у 1970-х роках призвів до значного збільшення популярності турбокомпресорів. Приставка «турбо» стала входити в моду. У той час, майже всі виробники автомобілів пропонували як мінімум одну модель з бензиновим турбодвигуном. Однак, через декілька років, мода на турбодвигуни почала проходити, оскільки з'ясувалося, що турбокомпресор, хоч і дозволяє збільшити потужність бензинового двигуна зате значно збільшує витрату палива. На перших порах часова затримка в реакції турбокомпресора була чималою, що також було серйозним аргументом проти встановлення турбіни на бензиновий двигун.

Корінний перелом у розвитку турбокомпресорів відбувся із встановленням у 1977 році турбокомпресора на серійний автомобіль Saab 99 Turbo і потім, у 1978 р. випуском Mercedes-Benz моделі 300 SD, першого легкового автомобіля, оснащеного дизельним турбодвигуном. У 1981 році з'явився VW Turbodiesel. За допомогою турбокомпресора виробникам вдалось збільшити ефективність роботи дизельного двигуна до рівня бензинового, при меншій витраті палива. Підвищений ступінь стиску та внаслідок адіабатного розширення на робочому ході, забезпечує нижчу температуру вихлопних газів дизельного двигуна. Це знижує вимоги до жароміцності турбіни, через що турбіни на дизельних двигунах зустрічаються частіше ніж на бензинових і можуть мати складнішу конструкцію.

Будова системи турбонаддування

Незважаючи на відмінності в конструкції окремих систем, можна виділити наступні загальні конструктивні складові системи турбонаддування — повітрозабірник і далі послідовно повітряний фільтр, дросельна заслінка, турбокомпресор, інтеркулер, впускний колектор. Всі елементи об'єднані сполучними патрубками та напірними шлангами.

Більшість елементів турбонаддування є традиційними елементами впускної системи двигуна. Вирізняючою особливістю системи турбонаддування є наявність турбокомпресора, інтеркулера та нових конструктивних елементів керування.

Турбокомпресор 

Турбокомпресор (інше найменування — турбонагнітач, газотурбінний нагнітач) є основним конструктивним елементом системи турбонаддування і забезпечує підвищення тиску повітря у впускний системі. Конструкція турбокомпресора об'єднує два колеса — турбінне й компресорне, розташовані на спільному валу ротора. Кожне з коліс, а також вал з підшипниками поміщені в окремі корпуси.

Турбінне колесо сприймає енергію відпрацьованих газів і передає її на вал ротора. Колесо обертається в корпусі спеціальної форми. Турбінне колесо і корпус турбіни виготовляються з жароміцних матеріалів (сплави металів, кераміка).

Двигун MINI Cooper S (2003) містить інтеркулер з верхнім розташуванням (обведений червоним)

У деяких конструкціях бензинових двигунів для поліпшення охолодження додатково застосовується рідинне охолодження турбонагнітачів. Корпус підшипників турбонагнітача включений у двоконтурну систему охолодження двигуна.

Інтеркулер 

Інтеркулер (проміжний охолоджувач) — пристрій, що призначений для охолодження стисненого у нагнітачі повітря. За рахунок охолодження стисненого повітря підвищується його густина. Існує багато критеріїв, якими керуються при створенні інтеркулера. Основні серед них — це максимальний відвід тепла, мінімальні втрати тиску наддування, збільшення інерції потоку.

Інтеркулер виконується у вигляді радіатора повітряного або рідинного типу, що встановлюється на виході з турбонагнітача.

Елементи керування системи турбонаддування

Принцип роботи системи турбонаддування

Робота системи турбонаддування ґрунтується на використанні механічної енергії відпрацьованих газів. Відпрацьовані гази обертають турбінне колесо, яке через вал ротора обертає компресорне колесо. Компресорне колесо стискає повітря і нагнітає його в систему. Нагріте при стисненні повітря охолоджується в інтеркулері і надходить у циліндри двигуна.

Так як при використанні наддування повітря в циліндри подається примусово (під тиском), а не тільки за рахунок розрідження, створюваного поршнем (розрідження здатне засмоктати тільки обмежену кількість суміші повітря з паливом), то в двигун потрапляє більша кількість паливної суміші. Як наслідок, при згорянні збільшується об'єм згорання суміші палива з повітрям, більша кількість газу що утворився створює вищий тиск і відповідно виникає більша сила, що тисне на поршень.

Незважаючи на те, що турбонагнітач системи турбонаддування не має жорсткого зв'язку з колінчастим валом двигуна, ефективність роботи системи багато в чому залежить від частоти обертання двигуна. Чим вищою є частота обертання колінчастого вала двигуна, тим вищою є енергія відпрацьованих газів, швидше обертається турбіна і більше стисненого повітря надходить у циліндри двигуна.

В силу своїх конструктивних особливостей, система турбонаддування має низку негативних особливостей, серед яких з одного боку є затримка у зростанні потужності двигуна при різкому натисненні на педаль газу, т.з. «турбояма» , з іншого — різке зростання тиску наддування після подолання «турбоями», т.з. «турбопідхоплення». «Турбояма» обумовлена інерційністю системи (для підняття тиску наддування при різкому натисненні на педаль газу потрібно деякий час), яка приводить до невідповідності між потрібною потужністю та продуктивністю компресора.

Варіанти модернізації конструкції системи турбонаддування

Турбонагнітач Garrett зі змінною геометрією, встановлений на двигуні DV6TED4

Існує декілька способів вирішення проблеми «турбоям»: застосування турбіни із змінною геометрією; використання двох послідовних або паралельних турбокомпресорів  використання комбінованого турбонаддування.

Турбіна із змінною геометрією забезпечує оптимізацію потоку відпрацьованих газів за рахунок зміни площі вхідного каналу. Турбіни зі змінною геометрією знайшли застосування у системах тубонаддування дизельних двигунів, наприклад система турбонаддування двигуна 

Система з двома паралельними турбокомпресорами застосовується в основному на потужних V-подібних двигунах (по одному на кожний ряд циліндрів). Перевага такої системи ґрунтується на тому, що дві малі турбіни мають меншу інерційність, ніж одна велика.

При встановленні на двигуні двох послідовних турбін максимальна продуктивність системи досягається за рахунок використання різних турбокомпресорів на різних частотах обертання двигуна. Деякі виробники встановлюють три послідовних турбокомпресори і навіть чотири

Комбіноване наддування об'єднує механічне нагнітання та турбонаддування. На низьких обертах колінчастого вала двигуна стиснення повітря забезпечує механічний нагнітач. Зі збільшенням частоти обертання двигуна починає працювати турбокомпресор, а механічний нагнітач відмикається. Прикладом такої системи є подвійне турбонаддування TSI від Volkswagen.

Нагнітач на гоночному двигуні.

Двороторний дволопатевий нагнітач повітря.

Нагнітач-компресор

Нагнітач-компресор для попереднього стиснення повітря або суміші повітря з паливом, що надходять в циліндри двигуна внутрішнього згоряння і збільшення масового заряду горючої суміші. Підвищується потужність двигуна.

Нагнітач вперше був встановлений на автомобіль німецьким інженером Готтлібом Даймлером в 1885 році. У 1902 році Луї Рено запатентував свою конструкцію нагнітача.

Нагнітачі знайшли широке застосування в поршневих двигунах внутрішнього згоряння для ситуацій, де потрібно примусове забезпечення циліндра повітрям, тобто в двотактних дизелях, або там, де потрібна підвищена питома потужність — в гоночних автомобільних і авіаційних двигунах.

Суперчарджер

Суперчарджер (компресор Рутса) — механічний нагнітач, що має механічний привод від колінчастого вала. У цьому їхня відмінність від турбонагнітача, що використовує енергію вихлопних газів. Перевага суперчарджерів перед турбонаддувом в тому, що вони починають працювати при холостих обертах, а турбіна починає нагнітати повітря після того, як підніметься тиск вихлопних газів. На двотактних дизелях повітродувка будується з обов'язковим застосуванням механічного нагнітача (сімейство Д100, ЯАЗ-204, ЯАЗ-206).

За допомогою механічного нагнітача можна отримати надбавку в потужності до 50 %, незважаючи на те, що частина потужності двигуна витрачається на сам привод нагнітача. Одна з основних переваг механічних нагнітачів — відсутність провалу потужності на перехідних режимах при збільшенні обертів.

Схеми систем турбонаддува

Існує велика різноманітність схемного оформлення систем газотурбінного наддуву. На рис. 1 приведена найбільш поширена схема турбопоршневий двигуна з газової зв'язком. При роботі двигуна відпрацьовані гази надходять на лопатки газової турбіни, яка приводить в обертання компресор, що подає стиснене до певного рівня повітря в двигун. Така схема забезпечує високий ККД і володіє порівняльною простотою. Конструктивне оформлення схеми характеризується малими габаритами, а також забезпечує зменшення механічних втрат. Крім того, для реалізації такої схеми можливе використання вже готових газотурбонагнетателей.

У той же час, недоліком схеми є найгірша прийомистість, в порівнянні з двигуном без наддуву, і гірші пускові якості (через знижену ступеня стиснення), менші можливості збільшення потужності наддувом, в порівнянні з механічним наддувом, недостатність енергії газів при малих навантаженнях. Схема, показана на рис. 2, відрізняється від попередньої наявністю приводного компресора як другого ступеня наддуву. Тобто турбіна обертає компресор, який стискає повітря і подає його на лопатки приводного компресора, а останній "дотискає" повітря і двигуна його в двигун. Така схема забезпечує отримання високого ККД двигуна, особливо в порівнянні з механічним наддувом. Однак недоліки, пов'язані з погіршеної приемистостью і поганими пусковими властивостями, зберігаються.

На рис. 3 представлена ​​схема турбопоршневий двигуна з комбінованою зв'язком (як і в Попереднє випадку). Однак в даній схемі компресор з механічним приводом є першою сходинкою наддуву, а вільний турбокомпресор забезпечує другу сходинку підвищення тиску наддуву. У цьому випадку досягається більш висока прийомистість. Крім того, в даній схемі, як і в попередній, обумовлена ​​можливість проміжного охолодження повітря, а це зменшує потужність, необхідну на стиснення повітря. Недоліком такого виконання є більш низький ККД двигуна, ніж за попередньою схемою.

Для забезпечення гарної прийомистості доцільно застосування механічного зв'язку поршневого двигуна і лопаткових машин. На рис. 4 наведена схема такого турбопоршневий двигуна. В даному випадку і компресор, і турбіна мають механічну зв'язок з валом двигуна.

Тобто турбіна в даному випадку є силовою турбіною, яка передає потужність на вал поршневого двигуна. При такій схемі наддуву досягається більш високий тиск наддуву, що не залежить від потужності турбіни. Схема забезпечує повне використання енергії випускних газів, незалежно від тиску наддуву. Крім гарної прийомистості реалізація такої схеми забезпечує хороші пускові якості двигуна і ефективний газообмін при невстановлених режимах роботи. Недоліком такої схеми є знижений ККД двигуна, особливо на часткових режимах. Крім того, при механічної зв'язку турбіни з валом двигуна порушується раціональне співвідношення окружної швидкості робочого колеса турбіни зі швидкістю витікання газів, а отже, знижується ККД турбіни.

Інший варіант комбінованого двигуна з механічним зв'язком поршневого двигуна і лопаткових машин представлений на рис. 5. Причому зв'язок лопаткових машин з валом поршневий машини може бути виконана прямий і жорсткою або через гідравлічну муфту. Гідравлічна муфта

безступінчатий змінює передавальне відношення між двигуном і компресором, що покращує характеристики двигуна і його пристосовність. Перевагою схеми є високий тиск наддуву, що не залежить від потужності турбіни, повне використання енергії випускних газів, незалежно від тиску наддуву. Як і в попередній схемі, механічна зв'язок забезпечує хороші прийомистість і пускові властивості.

У схемі, показаній на рис. 6, механічна зв'язок поршневий машини і лопаткових машин виконана або у вигляді механічної передачі паралельно на турбіну і компресор, або через гідромуфти. Така схема забезпечує всі перераховані раніше гідності ДВС з механічним зв'язком, однак, її недоліком є ​​складність і підвищені габарити. При роботі гідромуфти здійснюється тепловіддача в масло. Гідромуфти (перша і друга) використовуються для передачі повної потужності газової турбіни і повної потужності компресора відповідно. Варіант виконання комбінованого двигуна з механічним зв'язком показаний на рис. 7.

Тут застосована лише одна гидромуфта. В даній схемі зберігаються раніше перераховані достоїнства, включаючи і хороший газообмін при невстановлених режимах. Як і в раніше наведених аналогічних схемах, погіршення економічності двигуна пов'язано як з наявністю механічного приводу, так і з тепловтратами в масло.

Контрольні питання

1.Що таке турбннаддув?

2.Історія виникнення наддуву?(стисло- саме головне)

3.Що таке агрегатний наддув?

4.Суперчайджер принцип роботи.

5.Які є схеми турбонаддува їх переваги і недоліки.