Наддув с помощью волнового обменника давления

Наддув с использованием волнового обменника давления (ВОД) занимает промежуточное место между газодинамическим и механическим, так как в нем используется энергия выпускных газов для повышения плотности заряда на впуске, и имеется привод от коленчатого вала специального устройства.

Рис. 4.1. Схема волнового обменника давления Comprex

Типичным представителем такого устройства является «Компрекс-нагнетатель», который в дальнейшем будет называться ВОД. Обмен энергией в ВОД между продуктами сгорания (газ) и свежим зарядом (воздух) происходит в многочисленных аксиальных каналах, расположенных во вращающимся роторе барабана 3 (рис. 4.1). Барабан расположен между двумя половинами корпуса. Левая половина (холодная часть корпуса) имеет два отсека. В одном каналы барабана в соответствующие моменты времени через окна 4 соединяются со впускной системой двигателя 7, а в другой через окна 5 – с атмосферой 6. В правой половине (горячая часть корпуса) также имеется два отсека, в которых происходит периодическое соединение каналов через окна 2 и 3 с выпускной системой двигателя 1 и с атмосферой. Привод ротора барабана осуществляется с «холодной» стороны ВОД от коленчатого вала 8 ременной передачей.

Рис. 4.2. Схема волновых процессов в обменнике давления

Для уяснения сути процессов, происходящих в ВОД, рассмотрим волновые явления в трубе, расположенной во вращающемся барабане, с закрывающимися торцами (рис. 4.2).

В правом отсеке (рис. 4.2,а) находится газ под высоким давлением (ГВД), а в левом воздух с низким (атмосферным) давлением (ВНД). Если в определенный момент времени открыть правый торец трубы, то выпускные газы под давлением p_r будут сжимать воздух, находящийся в трубе. При этом по трубе справа налево распространяется волна сжатия (ВС) с местной скоростью звука. Вследствие уменьшения объема воздуха давление его повышается, а в область пониженного давления за ВС поступает газ. Граница разделения сред (ГРС) – воздуха и газа - будет при

этом перемещаться влево (рис. 4.2,б). Когда волна ВС приблизится к торцу трубы, она соединяется с левым отсеком и сжатый воздух поступает во впускную систему двигателя (рис. 4.2,в). Левый торец перекрывается, когда к нему подойдет ГРС. Вследствие перехода воздуха в левый отсек в трубе образуется обратная волна разрежения (ОВР), которая будет перемещаться вправо (рис. 4.2,г). При дальнейшем вращении барабана правый и левый торцы трубы последовательно соединяются в отсеках с атмосферой (рис. 16,д). Под влиянием ОВР слева в трубу поступает воздух, а газы через правый отсек удаляются в атмосферу. Поступление бόльших объемов воздуха обеспечивает продувку каналов в роторе барабана и их охлаждение. После достижения ОВР правого торца труба заполнена воздухом и далее процесс повторяется.

Левая половина корпуса ВОД изготовляется из алюминиевого сплава. Правый - горячая часть – из жаропрочных чугунных литейных сплавов. Ротор барабана имеет каналы с толщиной стенок всего лишь в несколько десятых миллиметра из никелевых стальных сплавов.

Затраты мощности на вращение ротора составляют (0,5…1,0)% от мощности двигателя (не более 2 кВт). Главным фактором, определяющим эффективность ВОД является синхронизация частот вращения его ротора n_од и коленчатого вала n_е. Достигается это только в узком диапазоне режимов работы двигателя. При этом в области высоких частот вращения n_е передаточное отношение i_од = n_{од /} n_е должно быть меньше, т.е. при работе двигателя на переменных режимах величина i_од должна изменяться. Достигнуть этого можно применением:

• регулируемой передачи от коленчатого вала к ротору ВОД;

• индивидуального привода от электродвигателя.

И то и другое усложняет конструкцию двигателя, заметно повышает его габариты и стоимость. На выполненных конструкциях двигателей с ВОД передаточное отношение устанавливается в пределах i_од = 3,8…4,0.

Разработка системы Comprex велась применительно к дизелю, так как поступление бензо-воздушной смеси в каналы ротора ВОД оказывало негативное влияние на его работу. К настоящему времени установлены основные достоинства наддува с помощью ВОД (по сравнению с турбонаддувом):

• высокая эффективность в области низких частот вращения коленчатоговала (более высокие значения степени повышения давления при наддуве π_k);

• более высокий КПД, по сравнению с турбокомпрессором, на двигателях малой размерности с рабочим объемом до 1,0 дм3;

• относительно лучшая приемистость;

• меньше удельный расход топлива при низких частотах вращения коленчатого вала двигателя.

Значительные работы по совершенствованию наддува с помощью волновых обменников давления были выполнены фирмой Opel.

5. ГАЗОТУРБИННЫЙ НАДДУВ

Дата добавления: 2014-10-17