Системы двухступенчатого наддува

При значительной степени форсирования двигателя часто используется двухступенчатый наддув в сочетании с регулированием агрегатов.

На рис. 10.3 показана система наддува бензинового двигателя для автомобиля Volkswagen Golf рабочим объемом 1,4 л мощностью
160 л. с.

Рис. 10.3. Система наддува бензинового двигателя автомобиля Volkswagen Golf

Система наддува состоит из соединенных последовательно механического нагнетателя Roots и турбокомпрессора.

При малых частотах вращения вала двигателя до 2400 об/мин работает только компрессор Roots, обеспечивающий значение
p_к = 2,5.

В интервале частот вращения n = 2400-3500 об/мин подключается турбокомпрессор, а при частотах вращения n > 3500 об/мин компрессор Roots отключается: работает только турбокомпрессор.

Система наддува дизельного двигателя Opel рабочим объемом 1,9 л мощностью 212 л. с. включает два турбокомпрессора разной производительности (рис. 10.4).

Алгоритм работы системы зависит от скоростного режима работы двигателя.

При частотах вращения вала двигателя до 1800 об/мин оба клапана закрыты. При этом все выхлопные газы идут через компрессор высокого давления, что позволяет обеспечить значение p_к = 3,2. Энергии газов на работу турбокомпрессора низкого давления не хватает и сжатия газа в нем практически не происходит.

Рис. 10.4. Система наддува дизельного двигателя Opel

В диапазоне частот вращения вала двигателя от 1800 до
3000 об/мин выпускной клапан частично открыт, а контрольный клапан закрыт, что обеспечивает работу обоих турбокомпрессоров.

При частотах вращения свыше 3000 об/мин оба клапана закрыты. В этом случае работает в основном компрессор низкого давления.

Двигатель с описанной системой наддува устанавливается на автомобиль Opel Vectra OPC и обеспечивает величину крутящего момента на уровне 400 Нм в диапазоне частот вращения от 1400 до
3600 об/мин. Расход топлива автомобиля согласно европейскому ездовому циклу составляет 6 л на 100 км.

Аналогичную систему наддува разработали специалисты фирмы BWTS и BMW.

Один из турбокомпрессоров имеет узкую (рис. 10.5, б) характеристику по расходу воздуха и обеспечивает высокие значения p_к на низких частотах вращения вала двигателя, другой – более широкую характеристику по расходу (рис. 10.5, а) и обеспечивает высокие значения p_к на высоких частотах вращения. На рис. 10.5, в показана объединенная характеристика системы наддува.

Рис. 10.5. Характеристики двухступенчатой системы наддува BWTS:

а – характеристика компрессора первой ступени; б – характеристика компрессора второй ступени; в – объединенная характеристика системы

Другим путем улучшения характеристик двигателя и, в частности повышения крутящего момента на низких частотах вращения, улучшение экологических показателей является использование компрессора с электроприводом.

Схема системы наддува, получившая название eBooster фирмы BWTS показана на рис. 10.6.

Рис. 10.6. Схема системы наддува eBooster

В качестве одной из ступеней для наддува используется компрессор с электроприводом eBooster, который может устанавливаться после турбокомпрессора, как на схеме или перед турбокомпрессором. Электропривод компрессора eBooster позволяет получить высокие значения p_к и КПД на любых режимах работы дизеля при низких частотах вращения (до 2000 об/мин). При работе двигателя на высоких частотах вращения компрессор eBooster отключается.

Система наддува «Гипербар»

Система наддува «Гипербар», известная еще с 50-х гг. прошлого века, позволяет получить высокие значения крутящего момента на пониженных частотах вращения вала двигателя за счет камеры сгорания с автономным подводом топлива, устанавливаемой перед турбиной турбокомпрессора (рис. 10.7).

Рис. 10.7. Схема системы наддува «Гипербар»

Особенностью системы является низкая степень сжатия дизеля (до 8) и высокая степень повышения давления в компрессоре (значения p_к более 5). К газовой турбине помимо отработавших газов двигателя могут подаваться газы из камеры сгорания. Воздух в камеру сгорания подводится непосредственно от компрессора.

При запуске двигателя сначала пусковым двигателем раскручивается турбокомпрессор и запускается камера сгорания, что обеспечивает рост мощности турбины и достаточный расход воздуха для двигателя.

В зависимости от эксплуатационного режима включаются в работу те или иные агрегаты двигателя. Характеристика двигателя с системой «Гипербар» и области работы показаны на рис. 10.8.

Рис. 10.8. Характеристика двигателя с системой наддува «Гипербар»

При работе в области 1 часть воздуха перепускается, а воздух, поступающий в дизель, для обеспечения самовоспламенения смеси идет мимо охладителя. Камера сгорания не работает.

При работе в области 2 дизель работает с турбокомпрессором. Камера сгорания не работает. На этом режиме обеспечивается минимальный удельный расход топлива.

При работе в области 3 подключается камера сгорания, обеспечивающая высокие давления наддува.

Данная система наддува используется на силовой установке французского танка Leclerc, выпускавшегося до 2008 г. V -образный двигатель рабочим объемом 16,2 л при степени сжатия e = 7,8 и степени повышения давления в компрессоре p_к = 7,5 развивает мощность 1500 л. с. Минимальный удельный расход топлива в области 2 оставляет 231 г/кВт×ч, что выше, чем на дизелях с турбокомпрессором.

Турбокомпрессор совместно с камерой сгорания может использоваться как автономный источник энергии мощностью 12 л. с.

Контрольные вопросы

1. В чем особенность системы наддува «Максидайн»?

2. Что дает применение механического наддува совместно с газотурбинным?

3. Что такое компрессор eBooster?

4. С какой целью используется электропривод компрессора?

5. В чем отличие системы наддува «Гипербар» от традиционных систем наддува?

6. Почему дизель с системой наддува «Гипербар» имеет низкую степень сжатия?

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Луканин, В. Н. Двигатели внутреннего сгорания: учебник для вузов в 3 кн. Кн.1: Теория рабочих процессов / В. Н. Луканин; под ред.
В. Н. Луканина, М. Г. Шатрова. – Изд. 4-е, перераб. и доп. – М.: Высшая школа, 2010. – 479 с.

2. Луканин, В. Н. Двигатели внутреннего сгорания: учебник для вузов в 3 кн. Кн.2: Динамика и конструирование / В. Н. Луканин; под ред. В. Н. Луканина, М. Г. Шатрова. – Изд. 4-е, перераб. и доп. – М.: Высшая школа, 2009 – 400 с.

3. Колчин, А. И. Расчет автомобильных и тракторных двигателей /
А. И. Колчин, В.П. Демидов. - Москва: Высшая школа, 2008 - 496 с.

4. Сборник задач по дисциплине «Агрегаты наддува ДВС» / Уфимск. гос. авиац. техн. ун-т; Сост. Ю. Р. Вахитов. – Уфа, 2010. – 23 с.

5. Лабораторный практикум по дисциплине «Агрегаты наддува ДВС»/ Уфимск. гос. авиац. техн. ун-т; Сост. Ю. Р. Вахитов. – Уфа, 2008. – 22 с.

6. Патрахальцев, Н.Н. Наддув двигателей внутреннего сгорания: Учеб. пособие. – М.: Изд.-во РУДН, 2006. – 315 с.

7. Орлин, А. С. Двигатели внутреннего сгорания: Теория поршневых и комбинированных двигателей // Под редакцией А. С. Орлина,
М. Г. Круглова. – М.: Машиностроение, 1983. – 372 c.

8. Орлин, А. С. Двигатели внутреннего сгорания: Устройство и работа поршневых и комбинированных двигателей // Под ред.
А.С. Орлина, М.Г. Круглова. – М.: Машиностроение, 1980. – 288 с.

9. Белоусов, А. Н. Теория и расчет авиационных лопаточных машин, Учебник для вузов / Белоусов А. Н., Мусаткин Н. Ф., Радько В. М. – 2-е изд., испр., доп.; Самар. гос. аэрокосм. ун-т. Самара, 2003. –
344 с.

10. Ханк, Г. Турбодвигатели и компрессоры: справ. пособие / Герт Ханк, Лангкабель. М.: Астраль: АСТ, 2007. – 351 с.

11. Химич, В. Л., Епифанов Д. В. Выбор систем наддува в зависимости от требований экологических стандартов и уровня форсирования быстроходного автомобильного дизеля // Вестник УГАТУ. Т.14
№ 5 (40), 2010. – С. 38-45.

12. Румянцев, В. В. Регулирование турбокомпрессоров автомобильных двигателей – Набережные Челны: Изд-во Камской госуд. инж.-экон. акад., 2010. – 212 с.

Учебное издание

 

ВАХИТОВ Юрий Рашитович

 

 

АГРЕГАТЫ НАДДУВА ДВИГАТЕЛЕЙ

 

 

Редактор Г.Р. Медведева

Подписано в печать 06.09.2012. Формат 60x84 1/16.

Бумага офсетная. Печать плоская. Гарнитура Times New Roman.
Усл. печ. л. 10,0. Уч.-изд. л.9,9.

Тираж 100 экз. Заказ №

ФГБОУ ВПО «Уфимский государственный авиационный

технический университет»

Редакционно-издательский комплекс УГАТУ

450000, Уфа-центр, ул. К. Маркса, 12

[1] ГОСТ 10598-82 – Охладители водовоздушные дизелей и газовых двигателей с наддувом