Наддува

Модификации двигателей при применении

При наддуве двигателя модификация его конструкции не ограничивается только установкой турбокомпрессора. Очевидно, что в той или иной степени требуется изменение систем топливоподачи, охлаждения, смазки, впуска и выпуска отработавших газов, камеры сгорания, клапанов, фаз газообмена, системы пуска.

Как отмечено выше, возможны принципиально две разные цели применения наддува. Если он применяется для повышения экономичности и улучшения экологических показателей, т. е. не происходит повышения мощности, то не требуется модификация системы топливоподачи, да и большинства других систем. Если же происходит повышение мощности двигателя, то приходится проводить модернизацию, модифицировать разные системы. Прежде всего, при повышенном наддуве штатный топливный насос как правило, не может обеспечить необходимой производительности, поэтому приходится заменять штатный ТНВД насосом с большей производительностью. Как правило, при наддуве дизеля требуется уменьшать (на 1 – 2 градуса) угол опережения впрыскивания топлива для снижения жёсткости сгорания.

Установка турбокомпрессора приводит к росту температурной напряжённости всего двигателя, сам ТК имеет повышенные температуры, смазка ТК требует более тонкой очистки масла. В результате этого необходимо изменять систему смазки, необходимо устанавливать дополнительные фильтры тонкой очистки масла, повышать производительность масляного насоса (с целью увеличения скорости смены масла), выполнять дополнительные отстойники или холодильники масла. На рис. 1.9 показан внешний вид дополнительных масляных трубопроводов на двигателе с наддувом.

Рис. 1.9. Силовая установка, с дизелем с газотурбинным наддувом. ТК – турбокомпрессор, М – подвод масла к турбокомпрессору, ТМ – трубопровод слива масла из турбокомпрессора в картер

двигателя.

Наибольших изменений при применении наддува требуют впускные и выпускные трубопроводы двигателя. На рис. 1.10 показано сравнение внешнего вида выпускных коллекторов двигателя без наддува и с наддувом. Видно, что в последнем случае выпускной коллектор становится сложнее. Выпуск из первых трёх цилиндров и остальных разделён на два канала. Это делается для сохранения энергии выпускных газов, т. е. для повышения мощности, развиваемой турбиной.

Рис. 1.10. Шестицилиндровый дизель до модернизации (1) и после модернизации (2) установкой турбонаддува. А – выпускной коллектор, ВХ – вход сжатого воздуха, Ф – фильтр масляный, Охл – вход воды охлаждения головки цилиндров.

Для рассмотренного 6 ^ти цилиндрового двигателя с порядком работы цилиндров 1 – 5 – 3 – 6 – 2 – 4 такое разделение коллектора позволяет организовать поступление волн давления выпускных газов в коллектор из цилиндров через 240 градусов поворота коленчатого вала. В результате импульсы давления (волны давления) не накладываются на соответствующие волны снижения давления, не усредняются, энергия газов сохраняется высокой. Для сохранения импульса давления в этом случае объём коллектора должен быть достаточно мал. Газовая турбина получается импульсной, наддув называют импульсным. Если же коллектор не разделяют, специально повышают его объём, то давление газов в коллекторе усредняется, становится практически постоянным, наддув называют наддувом при постоянном давлении. Система становится проще, но и эффективность газовой турбины снижается.

Впускные коллекторы также претерпевают определённые изменения, поскольку по ним теперь приходится подавать большее количество воздуха. В коллекторах приходится устанавливать холодильники воздуха и т. д.

Стремление повысить уровень (давление) наддува приводит к необходимости увеличения мощности газовой турбины. Поэтому современные высокофорсированные дизели имеют сложные системы выпуска и впуска. Выпускные системы могут включать в себя также элементы преобразования импульсов давления выпускных газов (преобразователи импульсов), позволяющие сохранить высокую импульсность газов и поднять мощность газовой турбины. Схема преобразователя импульсов показана на рис. 1.11.

Рис. 1.11. Схема преобразователя импульсов: А – каналы выпуска отработавших газов из головки цилиндров, Б – зона повышения скорости газов, В – вход газов в газовую турбину, Г – компенсатор термических расширений.

Камера сгорания дизеля при применении наддува низкого уровня может и не изменяться. Однако, при достаточно высоком наддуве, когда при исходной степени сжатия чрезмерно повышается максимальное давление в цилиндре, приходится идти на уменьшение конструктивной степени сжатия (e). Чрезмерное повышение максимального давления (Р_z) в цилиндре приводит к росту нагрузок на подшипники, на сам коленчатый вал. А значит нужно практически полностью менять конструкцию дизеля. Чтобы этого избежать, приходится увеличивать объём сжатия V_c для уменьшения степени сжатия и снижения достигаемого при полной нагрузке максимального давления. Несмотря на снижение степени сжатия в поршневой части машины, что в соответствии с термодинамикой должно привести к потере экономичности, к. п. д. дизеля с таким наддувом возрастает, т. к. можно сохранить суммарную степень сжатия, т. е. в турбокомпрессоре, а затем в поршневой части. Кроме того, благодаря сжиганию в цилиндре большего количества топлива, сохраняется высокий уровень максимального давления, а это значит, что возрастает степень повышения давления при сгорании (l=Р_z/Р_с) и растёт экономичность двигателя.

Увеличение объёма камеры сгорания приводит к увеличению “мёртвого” пространства над поршнем, увеличивается количество остаточных газов, притом повышенной температуры. Т. е. нарушается очистка цилиндра, снижается его наполнение. Появляется необходимость оптимизировать фазы газообмена.

Поскольку в двигателе с наддувом в цилиндрах сжигается повышенное количество топлива, то термонапряжённость двигателя возрастает, возрастают температуры клапанов, особенно выпускного. Повышенный расход воздуха и газа требует большего времени на очистку, продувку, наполнение цилиндра. Необходимо увеличивать время перекрытия клапанов для лучшего охлаждения выпускного клапана, а также для лучшей продувки камеры сгорания, на что конечно затрачивается дополнительное количество воздуха. Фазы перекрытия клапанов должны быть согласованы с давлениями перед клапанами, чтобы избежать возможного выброса выпускных газов во впускной коллектор. Как правило, у двигателей с наддувом открытие впускных клапанов надо проводить раньше, а закрытие выпускных – позже, чем у двигателя без наддува. При этом, закрытие впускных клапанов надо делать более поздним, а открытие выпускных – существенно более ранним. Всё это требует изменения профилей кулачков механизма привода клапанов. Аналогичные изменения надо проводить и в фазах газообмена двухтактных двигателей. А это уже требует существенного изменения конструкции дизеля.

Система охлаждения двигателя с наддувом при низком уровне наддува может сохраняться без изменения. Но при повышенном наддуве, при необходимости охлаждения турбокомпрессоров, необходимости отвода большего количества тепла от более термически напряжённых деталей, приходится увеличивать производительность системы охлаждения.

Понижение степени сжатия приводит к проблемам с запуском дизеля, особенно при низких температурах окружающего воздуха. При пуске в камеру сгорания поступает воздух при параметрах, характерных для двигателя без наддува, а значит давление и температуры сжатия оказываются чрезмерно низкими, не обеспечивающими самовоспламенение смеси при пуске. Для повышения температуры воздуха применяют специальные пусковые нагреватели во впускном коллекторе двигателя (рис. 1.12). Конечно, это усложняет двигатель, ухудшает наполнение цилиндра при нормальной работе и т. д.

Рис. 1.12. Схема размещения нагревателя воздуха во впускном коллекторе дизеля с турбонаддувом (для облегчения пуска в условиях пониженных температур окружающего воздуха).

Дата добавления: 2014-12-26