Процессы наддува в двигателе

Процессы наддува в двигателе

Существует два способа повышения мощности двигателя. Первый — повышение объема камеры сгорания. Но в условиях постоянно ужесточающийся экологических требований к двигателям внутреннего сгорания, этот метод в настоящее время практически не используется.  Второй метод повышения мощности сводится к принудительному увеличению количества горючей смеси, то есть к наддуву. Поэтому сейчас, наддув является основным средством повышения мощности в современных автомобилях. Вот о том, какими бывают процессы наддува в двигателе, мы и поговорим в этой статье.

 

 

Процессы наддува

Мощность двигателя пропорциональна массовому расходу воздуха, который, в свою очередь, пропорционален плотности воздуха. Рабочий объем и частота вращения коленчатого вала двигателя могут быть увеличены за счет пред­варительного сжатия воздуха перед поступле­нием его в цилиндры двигателя, т.е. путем так называемого наддува. Коэффициент наддува соответствует увеличению плотности нагнетаемого воздуха по сравнению с атмосферным давлением (в двигателях без наддува воздух поступает под атмосферным давлением).

С точки зрения термодинамики наилучшие результаты могли бы быть получены в процессе изотермического сжатия, однако это технически недостижимо. На практике оптимальным процессом является адиабатиче­ское сжатие; при этом увеличение плотности воздуха сопровождается потерями.

Коэффициент наддува в бензиновых двигателях ограничивается возникновением детонации, а в дизельных двигателях — максимально допустимым пиковым давлением в цилиндре. Поэтому двигатели с наддувом обычно имеют более низкие степени сжатия, чем двигатели без наддува той же мощности.



Динамический наддув

На процессы газообмена оказывает влияние не только установка фаз газораспределения, но и геометрия впускных и выпускных каналов. Движение поршня на такте всасывания при открытии впускного клапана создает волну всасывания, которая отражается от открытого конца впускного трубопровода и возвращается к впускному клапану в виде волны давления. Эти волны давления могут быть использованы Для увеличения массового расхода воздуха на впуске. Кроме геометрии впускного трубопро­вода интенсивность этого эффекта наддува, основанного на газодинамике, также зависит от величины оборотов двигателя.

Инерционный наддув

 

Инерционный наддувВ системах инерционного наддува каждый Цилиндр снабжен отдельным впускным каналом определенной длины, обычно соединяю­щимся с общей камерой. По этим впускным каналам волны давления могут распространяться независимо друг от друга (рис. «Принцип инерционного наддува«). Длины отдельных впускных каналов адапти­рованы к установке фаз газораспределения таким образом, чтобы в желаемом диапазоне оборотов двигателя за счет волны давления, проходящей через открытый впускной клапан, достигалось увеличение массы заряда.

В то время как длина каналов должна быть адаптирована к диапазону оборотов двигателя, диаметры каналов должны быть согласованы с рабочим объемом цилиндра. В системе впуска, показанной на рисунке «Принцип изменения геометрии впускного трубопровода«, возможно переключение между двумя системами каналов различной длины. Переклю­чающий клапан или заслонка закрывается в нижнем диапазоне оборотов двигателя, и всасываемый воздух поступает в цилиндры через более длинные впускные трубопро­воды. При высоких оборотах переключаю­щий клапан открыт, и воздух поступает через короткий впускной трубопровод.

Прицип изменения геометрии впускного трубопровода

 

Наддув с использованием специально настроенных впускных каналов (резонансный наддув)

 

При определенных оборотах двигателя возникает резонанс колебаний газа во впускном трубопроводе, вызванных возвратно поступательным движением поршня, что создает дополнительный эффект наддува.

При таком варианте наддува короткие трубопроводы соединяют группы цилиндров двигателя с резонансными ресиверами с такими же интервалами, как промежутки между вспышками в цилиндрах (рис. «Принцип наддува с использованием специально настроенных впускных каналов«).

Принцип наддува с использованием специально настроенных впускных каналов Повышение коэффициента наполнения цилиндра зарядом при помощи динамического наддува

Эти ресиверы сообщаются с атмосферой или общей камерой посредством специально отрегули­рованных трубок и резонаторов Гельмгольца. Длина и диаметр трубопроводов опреде­ляются диапазоном оборотов двигателя, в котором должен возникать эффект допол­нительного резонансного наддува (рис. «Повышение коэффициента наполнения цилиндра зарядом при помощи динамического наддува«).



Впускные трубопроводы с изменяемой геометрией

Поскольку эффект динамического наддува зависит от режима работы (величины оборотов) двигателя, изменяемая геометрия впускного трубопровода позволяет получить практически идеальную кривую крутящего момента. Регулируемые системы могут быть реализованы посредством изменения длины впускных каналов за счет переключения между системами каналов различной длины или диаметра, попеременного перекрытия отдельных каналов в системах с несколькими наборами впускных каналов или пере­ключения между различными впускными объемами. Эти переключения могут осущест­вляться электрическими или электропневматическими клапанами или заслонками.

Механический наддув

 

В механических системах наддува привод нагнетателя осуществляется непосредственно от двигателя внутреннего сгорания (см. «Нагнетатели и турбонагнетатели»). При этом нагнетатель и двигатель внутреннего сгорания механически соединены друг с другом. Применяются механические объемные нагнетатели (компрессоры) различных конструкций (нагнетатели Roots, спиральные нагнетатели) и гидрокинетические компрессоры (например, радиальные компрессоры).

До настоящего времени коленчатый вал и вал нагнетателя соединяются с фиксиро­ванным передаточным отношением. Для привода нагнетателя могут использоваться механические или электромагнитные муфты. Давление наддува регулируется при помощи перепускного устройства с регулирующей заслонкой (регулятора давления наддува).

Преимущества механического наддува:

  • Нагнетатель установлен на холодной стороне двигателя;
  • Компоненты нагнетателя не оказывают влияния на работу системы выпуска отра­ботавших газов;
  • Нагнетатель мгновенно реагирует на изменение нагрузки.

Недостатки механического наддува:

  • Мощность, требуемая для привода нагнетателя, отбирается от полезной мощности двигателя, что вызывает повышение расхода топлива;
  • Приемлемый уровень шума может быть достигнут только посредством специальных мер;
  • Сравнительно большой объем и вес системы;
  • Нагнетатель должен быть установлен на уровне приводного ремня

Турбонаддув с использованием отработавших газов

В системах турбонаддува с использованием отработавших газов некоторая часть энергии отработавших газов преобразуется в механи­ческую энергию, необходимую для привода нагнетателя при помощи турбины (турбонаг­нетателя отработавших газов). Таким образом, этот процесс использует некоторую часть энтальпии, которая на безнаддувных двигателях остается неиспользованной. Однако эти си­стемы вызывают увеличение противодавле­ния отработавших газов. Для сжатия воздуха в таких системах используются исключительно гидрокинетические компрессоры.

Рис. «Сравнение кривых мощности и крутящего момента двигателей без наддува и с турбонаддувом»

Сравнение кривых мощности и крутящего момента двигателей без наддува и с турбонаддувом

Турбонагнетатели отработавших газов обычно применяются для создания высокого давления наддува даже при низких частотах вращения коленчатого вала двигателя. Другими словами, турбина турбонагнетателя рассчитана на среднюю частоту вращения. При этом следует учитывать, что при высоких частотах вращения давление наддува может возрастать до уров­ней, которые вызовут чрезмерные нагрузки на двигатель. Поэтому турбина снабжается пере­пускным клапаном, который при определенной частоте вращения начинает пропускать часть потока отработавших газов мимо турбины. При этом энергия этих отработавших газов остается неиспользованной. Значительно более удовлет­ворительные результаты (т.е. высокое давление наддува в нижнем диапазоне оборотов и в то же время возможность избежать перегрузки в верхнем диапазоне) могут быть получены при использовании турбонагнетателя с изменяемой геометрией турбины (VTG). В этих системах за счет изменения положения направляющих ло­паток осуществляется регулирование сечения потока и угла атаки рабочих лопаток (и, таким образом, давления отработавших газов, посту­пающих на турбину) (см. «Нагнетатели и турбо­нагнетатели»).

Преимущества турбонаддува с использованием отработавших газов:

  • Значительное увеличение выходной мощ­ности на литр рабочего объема;
  • Значительное снижение расхода топлива по сравнению с двигателями без наддува равной мощности;
  • Снижение содержания токсичных продук­тов в отработавших газах;
  • Сравнительно небольшой занимаемый объем;
  • Может быть использован совместно с си­стемами рециркуляции отработавших га­зов низкого давления.

Недостатки турбонаддува с использованием отработавших газов:

  • Установка турбокомпрессора в тракте с «горячими» отработавшими газами требует применения термостойких материалов;
  • Повышенная тепловая инерция в системе выпуска отработавших газов;
  • Без принятия дополнительных мер сравни­тельно низкий пусковой крутящий момент в случае установки на двигателях с малым рабочим объемом.



Специальные виды турбонаддува

В электрифицированных системах турбонаддува используется дополнительный электродвигатель, приводящий во вращение турбонагнетатель при отсутствии потока отработавших газов. Преиму­щество такой системы заключается в обеспече­нии турбонаддува в переходных режимах работы двигателя и при низких частотах вращения. Эти системы пока что не нашли применения в серий­ном производстве автомобилей ввиду их большой сложности и высокой потребляемой электриче­ской мощности. Применение электрифицирован­ных систем турбонаддува позволит значительно уменьшить занимаемый системой объем.

Еще один специальный вид турбонаддува — системы турбонаддува с использованием энер­гии волн сжатия, которые пока что не нашли применения в серийном производстве. Принцип действия основан на отражении волн сжатия во вращающемся секционном роторе (см. «Нагне­татели и турбонагнетатели»). Основным преи­муществом является очень высокое быстродей­ствие, обеспечивающее быстрое нарастание крутящего момента в переходных режимах. Од­нако применение таких систем связано с высо­кими затратами, а необходимость в отдельном приводе создает проблему нахождения соответ­ствующего свободного пространства.

Диаграмма объемного расхода

 

Картина зависимости работы нагнетателя от характеристик двигателя наглядно иллюстри­руется диаграммой «давление-объемный расход» (рис. «Графики зависимости степени повышения давления в нагнетателе от объемного расхода для объемного нагнетателя с принудительным приводом и турбокомпрессора«), на которой степень повы­шения давления в нагнетателе πс соотносится с объемным расходом V.

Особенно иллюстративны графики для недросселированных четырехтактных двига­телей (дизельных), поскольку они содержат наклонные прямые линии (характеристики массового расхода двигателей), которые отра­жают возрастание объемного расхода воздуха по мере того, как степень повышения давле­ния

πс = р21

где:

 р1 давление наружного воздуха, а р2 — давление наддува) возрастает при постоянной частоте вращения двигателя.

Диаграмма демонстрирует степень повы­шения давления при постоянных частотах вращения нагнетателя для нагнетателя с принудительным приводом и турбоком­прессора.

Только механические нагнетатели, у кото­рых производительность пропорциональна их частоте вращения, пригодны для двига­телей автомобилей. Это нагнетатели с при­нудительным приводом конструкции Roots. Турбокомпрессоры с механическим приво­дом непригодны.

Система рециркуляции отработавших газов

 

Система рециркуляции отработавших газов (система EGR)Система внешней рециркуляции отработавших газов (EGR) является эффективным средством снижения температуры в камере сгорания. Го­рячие отработавшие газы отводятся и охлажда­ются в охладителе системы EGR до температуры ниже 150 °С. Затем они смешиваются со све­жим воздухом и подаются в камеру сгорания. Уменьшение количества кислорода в свежей смеси и высокая теплоемкость рециркулирую­щих отработавших газов вследствие наличия в них составляющих Н20 и С02 приводит к обра­зованию зоны горения, температура в которой, в зависимости от скорости рециркуляции от­работавших газов, снижена на несколько сотен градусов Цельсия. Благоприятными эффектами являются снижение содержания в выбросах ок­сидов азота N0X, а также снижение тепловых потерь и температуры компонентов цилиндра. Основной целью является снижение содержа­ния в отработавших газах токсичных продуктов.

Проблема, которую необходимо решить, заключается в транспортировке отработав­ших газов к стороне впуска свежего воздуха. Системы рециркуляции отработавших газов обычно применяются на двигателях с тур­бонаддувом. При этом имеют место два раз­личных подхода (рис. «Система рециркуляции отработавших газов (система EGR)»). В случае системы рециркуляции отработавших газов низкого давления отработавшие газы отбираются по­сле прохождения через турбину, охлаждаются и снова подаются в воздушный компрессор. В случае системы рециркуляции отработавших газов высокого давления, которая, в частно­сти, предотвращает загрязнение компрессора и воздействие на него высоких тепловых на­грузок, рециркуляция отработавших газов осуществляется через сторону высокого дав­ления. При этом между сторонами впуска и выпуска должен поддерживаться надлежащий перепад давления, иначе возникает ухудшение условий протекания цикла заряда. Иногда ис­пользуются также флаттерные клапаны, т.е. клапаны, воспринимающие пульсации давления и открывающиеся только в случае превышения определенного порога давления на стороне выпуска отработавших газов.



Применение системы EGR

Системы EGR низкого давления уже нашли применение на легковых и коммерческих автомобилях и продолжают совершенство­ваться. Их привлекательными особенностями являются меньший неблагоприятный перепад давления (разность давлений на выходе из турбины и на входе воздушного компрессора). Однако, во избежание загрязнения компрессора такие системы требуют установки впускного фильтра твердых частиц. Следует также отметить более высокие тепловые нагрузки, которым подвергается компрессор.

В следующей статье я расскажу о гидромеханике в автомобилестроении.

Список литературы «Процессы наддува в двигателе»:

  1. DIN 1940: Reciprocating internal combustion engines; terms, formulae, units.
  2. Flierl, R.; Hofmann, R.; Landerl, C.; Melcher, T.; Steyer, H.: Der neue BMW-Vierzylindermotor mit Valvetronic. MTZ 62 (2001), том 6.
  3. Langen, P.; Cosfeld, R.; Grudno, A.; Reif, K.: Der Elektromechanische Ventiltrieb als Basis zuk nftiger Ottomotorkonzepte. 21st International Vienna Motor Symposium, Progress Reports VDI, Series 12, No. 420, Volume 2, 2000.
  4. Basshuysen, R.; Sch fer, F. (Editors): Handbuch Verbrennungsmotor, 5th Edition, Vieweg-Verlag, 2009.

 

Добавить комментарий

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