Методы форсирования двигателя

Мощность двигателя можно повышать экстенсивно, увеличи-
вая рабочий объем цилиндра V_h или число цилиндров /, однако
при этом возрастают габаритные размеры и масса двигателя. Ме-
роприятия по интенсивному повышению мощности оценивают
литровой мощностью N_n, которая представляет собой отношение
номинальной эффективной мощности N_eном к рабочему объему
двигателя: N_n = N_eH0J(iV_h)= р_еп/{ЗОх).

N_n — мощность, получаемая с единицы рабочего объема. При
заданной номинальной мощности большая литровая мощность
обеспечивает снижение рабочего объема и, следовательно, умень-
шение габаритных размеров и массы двигателя.

Комплекс технических мероприятий, направленных на повы-
шение литровой мощности, называют форсированием двигателя.

Из определения N_n следует, что принципиально возможно
форсировать ДВС тремя способами: увеличением номинальной
частоты вращения л_ном или среднего эффективного давления р_е,
переходом с четырехтактного рабочего процесса на двухтактный.

Увеличение N_n путем повышения номинальной частоты враще-
ния я_ном широко применяется в двигателях с искровым зажигани-
ем. В дизелях такое повышение затруднено из-за сравнительно боль-
шой массы подвижных элементов кривошипно-шатунного меха-
пизма, больших механических нагрузок, трудностей с организа-
цией процессов смесеобразования и сгорания при малом време-
ни, отводимом на их реализацию. Кроме того, при повышении
чистоты вращения возрастают внутренние потери и, следователь-
но, ухудшается экономичность двигателя.

Номинальная частота вращения современных двигателей с ис-
кровым зажиганием достигает 6500 мин^-1, дизелей грузовых автомо-
билей — 2600 мин"¹, а дизелей легковых автомобилей — 5500 мин^-1.
Эго предопределяет большую литровую мощность двигателей с
искровым зажиганием (в 2...3 раза по сравнению с дизелями без
наддува).

Теоретически переход с четырехтактного рабочего цикла на двух-
тактный должен повысить литровую мощность в два раза. Однако
реально /^увеличивается в 1,5... 1,7 раза. Это связано с тем, что
часть рабочего объема двигателя используется на организацию
процессов газообмена (в нижней части цилиндра расположены
„окна для газообмена), снижается качество очистки и наполнения
цилиндров, часть горючей смеси теряется в период их продувки,
а также требуются дополнительные затраты энергии на привод
продувочного насоса. Поэтому у двухтактных двигателей эконо-
мические показатели хуже, чем у четырехтактных.

Кроме того, двухтактный двигатель имеет большую тепловую
напряженность элементов, формирующих камеру сгорания, из-за
того, что количество теплоты, подводимой в единицу времени, в
нем в два раза больше, чем у четырехтактного.

Форсирование двигателей возможно по среднему эффективному
давлению р_е. Для этого необходимо увеличить цикловую подачу
топлива и количество воздуха, подаваемого в цилиндр под давле-
нием за счет повышения его плотности. Такой способ повышения
Nj, называется наддувом.

Различают четыре основные типа наддува: динамический (резо-
нансный), наддув от приводного компрессора, газотурбинный и
комбинированный.

Наддув с механическим приводом компрессора от коленчатого вала
(рис. 1.5, а) позволяет хорошо согласовать работу компрессора с
тяговыми характеристиками двигателя. Он обычно используется
для кратковременного повышения мощности ДВС за счет невысо-
кой степени наддува. Однако применение такого наддува вызыва-
ет существенное снижение экономичности двигателя, что обус-
ловлено затратами энергии на привод компрессора.

Газотурбинный наддув (рис. 1.5, б) получил наиболее широкое
распространение в современных двигателях. Для привода центро-
бежного компрессора 1 используется часть энергии отработавших
газов, поступающих на лопатки газовой турбины 2. Агрегат, объ-
единяющий газовую турбину и компрессор, называют турбоком-
прессором.

Рис. 1.5 Схемы наддува двигателя: Л — с приводным компрессором, б — с газотурбинным наддувом; 1 — компрес- сор, 2 — турбина

При газотурбинном наддуве возможны два способа использо-
вания энергии отработавших газов: при постоянном давлении пе-
ред турбиной — отработавшие газы поступают в ресивер, а затем
при постоянном давлении подаются на турбину; импульсный над-
дув — отработавшие газы подаются непосредственно на турбину.
В этом случае используется не только потенциальная, но и кине-
тическая энергия газов.

Импульсный наддув наиболее эффективен при малых значениях дав-
ления наддува (р_к< 0,15 МПа), когда энергия импульса оказывается
значительно больше среднего значения давления. При больших значе-
ниях/^ эффект от применения импульсного наддува уменьшается, а
при р_к > 0,4 МПа — практически отсутствует.

При газотурбинном наддуве механическая связь агрегата над-
дува с коленчатым валом двигателя отсутствует, поэтому могут
существенно ухудшиться тяговые характеристики и приемистость
двигателя из-за инерционности турбинного колеса. В связи со сни-
жением энергии отработавших газов на малых нагрузках в начале
разгона может не обеспечиваться подача в цилиндр требуемого
количества свежего заряда. Эти недостатки могут быть устранены
путем использования комбинированного наддува — последователь-
ной комбинации наддува с приводным компрессором и газотур-
бинного наддува.

Динамический (резонансный) наддув предполагает использование
колебательных явлений в системе впуска и выпуска, возникаю-
щих в результате циклического повторения процессов газообмена
в цилиндре. Принцип его заключается в создании зрны сжатия
свежего заряда перед впускным клапаном до момента его закры-
тия, что обеспечивает увеличение массы поступающего в цилиндр
заряда. Кроме того, в выпускном трубопроводе во время перекры-
тия клапанов за закрывающимся выпускным клапаном создается
зона разрежения отработавших газов, что позволяет улучшить очи-
стку цилиндра и полнее заполнить его свежим зарядом.

Конструктивно данная «настройка» системы осуществляется
путем изменения длины и площади проходного сечения впускных
и выпускных каналов. В ряде конструкций длина впускного трубо-
провода изменяется в зависимости от режима работы двигателя.

Динамический наддув позволяет увеличить мощность двигате-
ля на 5...10%.

Применение газотурбинного наддува обеспечивает увеличение
мощности двигателя на 20... 50 %.

По мере повышения степени наддува увеличивается механи-
ческая и тепловая напряженность элементов, формирующих ка-
меры сгорания, что предъявляет повышенные требования к их
конструкции и материалам, к эффективности системы охлажде-
ния и качеству используемого масла. Для повышения степени над-
дува и снижения высокой тепловой напряженности лопаток тур-
бины в системе наддува организуют охлаждение наддувочного
воздуха.

В двигателях с искровым зажиганием применение наддува тре-
бует принятия специальных мер по предотвращению нарушения
процесса сгорания, называемого детонацией: некоторого сниже-
ния степени сжатия, интенсификации охлаждения деталей каме-
ры сгорания