Нагнетатели для двигателей внутреннего сгорания

Нагнетатели для двигателей внутреннего сгорания

 

Нагнетатели предна­значены для увеличения массового расхода воздуха при данных рабочем объеме и частоте вращения коленчатого вала, и тем самым, повышения плотности мощности. Они подразделяются на два типа: нагнетатели с механическим приводом и нагне­татели, использующие волну сжатия газов. Вот о том, какими бывают нагнетатели для двигателей внутреннего сгорания, мы и поговорим в этой статье.

 

 

 

Мощность, необходимая для его привода нагнетателя с механическим приводом, отбирается непосредственно от коленчатого вала через ременную или зубчатую передачу, т.е. на­гнетатель и двигатель соединены механически.

В случае нагнетателя, использующего волну сжатия газов, мощность сжатия создается отработавшими газами, но для синхронизации нагнетателя требуется дополнительный при­вод. Это означает, что нагнетатель соединен с приводом одновременно как механически, так и термодинамически.

Нагнетатели с механическим приводом

 

Нагнетатели с механическим приводом разделяются на две категории: работающие в соответствии с принципом вытеснения и сжи­мающие воздух в соответствии с принципами потока и момента. Нагнетатели ДВС обычно приводятся посредством ременной передачи (зубчатым или клиновым ремнем). Они приво­дятся во вращение непосредственно (в случае непрерывной работы) или через муфту. До настоящего времени передаточное отноше­ние остается постоянным во всем диапазоне частоты вращения коленчатого вала. Опреде­ленные технические преимущества мог бы дать привод с регулируемой частотой вращения, однако, предыдущие попытки применения такого привода в серийно выпускаемых авто­мобилях по различным причинам оказались безуспешными.

 

 

Центробежный нагнетатель с механическим приводом

 

Центробежный нагнетатель с механическим приводом в основном состоит из рабочего колеса, закрепленного на вале с ременным шкивом. В целях согласования работы нагне­тателя и двигателя в последних разработках были применены вариаторы скорости и от­ключаемая муфта (система «Turmat», рис. «Схема центробежного нагнетателя с механическим приводом» ). Схема центробежного нагнетателя с механическим приводомВедущий шкив вариатора приводится во вра­щение непосредственно от коленчатого вала двигателя. Усилия пружин шкивов вариатора и натяжения приводного ремня согласованы таким образом, что при низкой частоте враще­ния коленчатого вала ведомый шкив на ком­прессоре вращается быстрее, чем ведущий шкив. По мере увеличения частоты вращения коленчатого вала передаточное отношение непрерывно уменьшается.

Компрессор нагнетателя с механическим приводом работает в соответствии с прин­ципом потока. Устройства такого типа очень эффективны и имеют наилучшее соотношение между размерами и производительностью по сравнению с другими нагнетателями с механи­ческим приводом. Достижимая степень повы­шения давления зависит от окружной скорости рабочего колеса компрессора. Пропускная способность систем воздухозаборника легковых автомобилей ограничивает размеры рабочего колеса компрессора, что вызывает необходи­мость в увеличении его скорости вращения для получения степени повышения давления, необходимой для эффективного наддува.

Поскольку скорость вращения ведомого шкива (при передаточном отношении относи­тельно ведущего шкива 2:1) недостаточна для работы центробежного нагнетателя, для дости­жения требуемой окружной скорости рабочего колеса используется дополнительный повышаю­щий редуктор с передаточным отношением 15:1 или более. Кроме того, этот редуктор должен быть снабжен высокоэффективным регулято­ром скорости вращения для обеспечения отно­сительно неизменной степени повышения дав­ления в широком диапазоне частоты вращения коленчатого вала и создания высокого давления наддува уже при низких частотах вращения.

Область применения центробежных нагне­тателей с механическим приводом ограни­чивается технически высокими требуемыми скоростями вращения и доступной мощно­стью привода и экономически — сравнительно высокими затратами. Они устанавливаются в небольших количествах на автомобилях, ориентированных исключительно на высокие рабочие характеристики.

 

 

Вытеснительный нагнетатель

 

Было предложено относительно большое ко­личество конструкций устройств, работающих в соответствии с принципом вытеснения, но только несколько из них нашли применение в серийном производстве автомобилей. Вы­теснительные нагнетатели могут работать с внутренним сжатием или без него. К нагне­тателям с внутренним сжатием относятся поршневые, винтовые и роторно-поршневые компрессоры. График рабочих характеристик нагнетателя РутсаПримером нагнетателя без вну­треннего сжатия воздуха является нагнетатель Рутса (Roots). Все эти нагнетатели вытесни­тельного типа имеют примерно одинаковые характеристики, показанные здесь на примере нагнетателя Рутса (см. рис. «График рабочих характеристик нагнетателя Рутса» ).

Кривые частоты вращения вала при nсом = const на диаграмме р21-V очень крутые, т.е. объемный расход V очень не­значительно снижается по мере увеличения степени повышения давления р21. Сниже­ние объемного расхода в основном опреде­ляется качеством уплотнения зазора (поте­рями на противоток) и является функцией отношения р21 и времени, но не зависит от скорости вращения вала компрессора.

Отношение давлений р21 не зависит от частоты вращения. То есть высокие значе­ния этого отношения могут быть получены и при низких объемных расходах.

Объемный расход V не зависит от степени повышения давления и, грубо говоря, прямо пропорционален скорости вращения.

Производительность нагнетателя остается неизменной во всем его рабочем диапазоне. Компрессор вытеснительного типа рабо­тает во всех точках диаграммы р21-V, как определено размерами нагнетателя.

Для создания данного объемного расхода раз­меры объемных нагнетателей с механическим при­водом в общем случае должны быть значительно больше размеров центробежных нагнетателей.

Нагнетатель Рутса

 

Поперечный разрез нагнетателя РутсаНагнетатель Рутса представляет собой роторно­-поршневую машину с поршнями, вращаю­щимися в противоположных направлениях, установленными в роликовых подшипниках и синхронизированными при помощи зубчатых колес. Вращающиеся поршни имеют одинако­вую скорость вращения и не контактируют друг с другом в корпусе (см. рис. «Поперечный разрез нагнетателя Рутса» ). Эффективность машины в основном определяется величиной зазоров между этими компонентами.

Нагнетатели Рутса работают без внутреннего сжатия. Для снижения уровня шума на сторонах всасывания и нагнетания обычно устанавлива­ются глушители. Они ограничивают достижимые степени повышения давления до уровня не более 2. Повысить эффективность позволило нанесение покрытий на функциональные компоненты. В настоящее время ведутся исследования целе­сообразности установки редукторов с регулируе­мой скоростью вращения на стороне привода.

Винтовой нагнетатель

 

Нагнетатель винтового типаКонструкция винтового нагнетателя (рис. «Нагнетатель винтового типа» ) сходна с конструкцией нагнетателя Рутса, т.е. он является роторно-поршневой машиной с двумя вращающимися в противоположных направле­ниях валами. Однако, он отличается от нагне­тателя Рутса тем, что работает без внутреннего сжатия. Он может давать более высокие степени повышения давления, чем нагнетатель Рутса. На стороне всасывания (впуска) вовремя вра­щения поршней открывается профильное про­странство, которое заполняется всасываемым воздухом. По мере того как роторы продолжают вращаться, пространство непрерывно сокраща­ется в объеме до тех пор, пока оно не достигает краев выпускного объема. На этой стадии вну­треннее сжатие завершается, и сжатый объем вытесняется на сторону нагнетания (выпуска). Для сведения к минимуму утечек необходимо строго соблюдать допуски зазоров между ро­торами и стенками. Рассматриваются меры по повышению эффективности нагнетателя этого типа, аналогичные описанным выше для на­гнетателя Рутса.

 

 

Спиральный нагнетатель

 

Спиральный нагнетатель (рис. «Поперечный разрез нагнетателя спирального типа» ) представляет собой компрессор, в котором ротор со спи­ральными лопастями описывает эксцентрич­ную траекторию в корпусе, также снабжен­ный спиральными лопастями. Поперечный разрез нагнетателя спирального типаВ спиральном нагнетателе используются циркуляционные вытеснительные элементы. При этом после­довательно осуществляются следующие опе­рации: рабочие камеры открываются и в них поступает воздух; отсекается подача воздуха; рабочие камеры открываются снова для вы­пуска сжатого воздуха через центральное окно.

Примером нагнетателя этого типа является G-нагнетатель. Ротор нагнетателя эксцентрично приводится во вращение кулачком, установлен­ным на главном центральном вале. Вспомога­тельный вал, приводимый во вращение через ременную передачу, обеспечивает равномерное эксцентричное вращение ротора. Смазка приво­дного вала осуществляется из контура системы смазки двигателя. Эффективность нагнетателя зависит от соблюдения очень строгих допусков размеров и качества уплотнений. Радиальное уплотнение обеспечивается за счет минимально возможных зазоров, а осевое уплотнение – за счет уплотнительных полос, устанавливаемых на торцевых поверхностях. Эти уплотнительные полосы являются изнашиваемыми компонен­тами и при необходимости подлежат замене во время выполнения регулярного технического обслуживания автомобиля. Внутреннее сжатие может быть достигнуто за счет надлежащей конфигурации спиралей.

Последние разработки направлены на упро­щение конструкции (исключение вспомогатель­ного вала) и применение отключаемой муфты.

 

 

Нагнетатель Ванкеля

 

Нагнетатель Ванкеля (рис. «Поперечный разрез нагнетателя Ванкеля» ) представляет собой Внутренний ротор приводится во вращение по эксцентриковой траектории в цилиндре, где размещаются наружные роторы. Передаточное отношение между роторами со­ставляет 2:3 или 3:4. Роторы вращаются в противоположных направлениях, не контактируя друг с другом или с корпусом. Вращение ротора-поршня по эксцентриковой траектории позволяет нагнетателю впускать максимально возможный объем воздуха для сжатия (камера I) и выпускать его (камера III). Степень сжатия определяется положением кромки А выпускного окна.

Для синхронизации движения внутреннего ротора-поршня и наружных роторов исполь­зуется шестеренчатая передача с внутренним зацеплением. Для смазки шестерен и ролико­вых подшипников применяется консистентная смазка. Внутренний и наружный роторы имеют уплотнения зазоров и определенной формы покрытие. Поршневые кольца служат в каче­стве уплотнения между рабочей камерой и корпусом шестеренчатой передачи.

Нагнетатели, приводимые волновым давлением газа

 

Нагнетатель, приводимый волновым давлением газа (рис. «Нагнетатель, использующий волновое давление газов» ) представляет собой газодинамиче­скую машину, основным компонентом которой является ротор с открытыми каналами, рас­положенными коаксиально по его окружности («секционное колесо» или «ротор»). Нагнетатель, использующий волновое давление газовЧерез отверстия для впуска и выпуска свежего воздуха и отработавших газов и торцевые поверхности ротора осуществляется повышение давления в каналах. Свежий воздух сжимается в каналах ро­тора в ходе газодинамических процессов. В ходе этого процесса свежий газ и отработавшие газы кратковременно вступают в контакт друг с дру­гом. Существенно важным для функционирова­ния является тот физический факт, что процесс газодинамического сжатия происходит в течение значительно более короткого периода времени, чем время смешивания двух газовых потоков.

Принцип действия нагнетателя, приводи­мого в действие волновым давлением газа, основан на том, что волна давления на откры­том конце отражается, как волна разрежения, а на закрытом конце — как волна давления; это также относится к отражению волны раз­режения. Для контроля и поддержания этого

процесса отверстия каналов должны проходить через «открытые концы» и «закрытые концы», т.е. секционный ротор должен вращаться. Мощность привода используется просто для компенсации потерь в подшипниках ротора и потерь на вентиляцию и для ускорения ротора в случае внезапного увеличения нагрузки. Путем соответствующего конфигурирования тракта прохождения газа в корпусе можно обеспе­чить достаточно равномерное распределение температуры в роторе с целью обеспечения достаточно малых зазоров. Акустические ха­рактеристики могут быть улучшены путем со­ответствующего конфигурирования секций.

Диаграммы газовых потоков и состояний (рис. «Схема потоков газов и диаграмма состояний нагнетателя, использующего волновое давление газов» ) иллюстрируют процессы в базовом на­гнетателе, приводимом в действие волновым давлением газа при полностью открытом дрос­селе и умеренной частоте вращения коленча­того вала. Энергообмен в каналах происходит со скоростью звука, и благодаря используе­мым принципам действия нагнетатель очень быстро реагирует на изменение потребности двигателя, причем фактическое время реакции определяется процессами наддува в воздухо­водах и выпускных трубах. Скорость звука, а также физические характеристики являются функцией температуры, что означает, что они в основном зависят от величины крутящего момента двигателя, а не от частоты вращения коленчатого вала.

 

Схема потоков газов и диаграмма состояний нагнетателя, использующего волновое давление газов

 

 

 

Нагнетатель Comprex

 

Если передаточное отношение между двига­телем и секционным ротором постоянно, что и имеет место для приводимого при помощи ременной передачи нагнетателя, волновой процесс оптимален только в определенной ра­бочей точке. Для устранения этого недостатка в передней части кожухов размещают специ­альные «карманы», позволяющие получить высокую производительность нагнетателя и оптимальную кривую наддува в относительно широком диапазоне рабочих режимов.

Ротор нагнетателя Comprex имеет постоян­ную смазку, а подшипник ротора расположен со стороны подвода и отвода воздуха. Воз­душный кожух изготовлен из алюминия, а для газа — кожух из материала NiResist. Ротор с осевыми ячейками изготовлен методом литья по выплавляемой модели. Давление наддува регулируется в соответствии с потребностью двигателя при помощи перепускного клапана.

 

 

Нагнетатель Нуртех

 

дальнейшим развитием нагнетателя Comprex является нагнетатель Нургех, который пока что не поступил в серийное производство, но рассматривается возможность его применения на автомобилях с бензиновыми двигателями малого рабочего объема. Ротор нагнетателя Нургех приводится во вращение независимым электродвигателем, благодаря чему нагнета­тель может быть лучше адаптирован к рабо­чему состоянию двигателя.

В дополнение к другим модификациям, улучшающим пуск холодного двигателя, асим­метричное расположение секций позволило улучшить акустические характеристики. Газо­вые карманы переменного объема позволяют повысить эффективность в нижнем диапазоне частоты вращения коленчатого вала с соот­ветствующим увеличением давления наддува. Применение нагнетателя Нургех требует на­личия современной электронной системы управления двигателем.

В следующей статье я расскажу о турбокомпрессорах для двигателей внутреннего сгорания.

 

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *