Система импульсного наддува

Широкое использование турбонаддува началось только с осуществлением идей Альфреда Бюхи, изложенных в Швейцарском патенте № 122664 от 30.11.1925 (патент DRP 568855). Согласно этому патенту размеры выпускного коллектора и входного сечения газовой турбины при соответствующем выборе фаз газораспределения должны быть такими, чтобы давление в выпускном коллекторе после открытия выпускных органов (предварение выпуска) было выше давления в трубопроводе наддувочного воздуха. Но в конце процесса газообмена, т. е. во время периода продувки, становилось ниже давления наддува. Такие и ряд других эффектов даёт система наддува с использованием энергии волн давления отработавших газов. В этом случае удаётся расширить диапазоны скоростных и нагрузочных режимов двигателя, в которых обеспечивается сохранение высокого давления наддува. Благодаря этому удаётся обеспечить двигателю более желательное протекание кривой изменения крутящего момента в функции от частоты вращения коленчатого вала. Т. е. если система постоянного давления предпочтительна при постоянстве эксплуатационных режимов работы двигателя, то система с импульсным наддувом желательная при резко переменных режимах работы, например, для автомобильных ДВС. Сохранение импульса давления ОГ достигается сокращением длины выпускного трубопровода, уменьшением его объёма, разделением выпускных трубопроводов по цилиндрам или группам цилиндров так, чтобы волны давления от одних цилиндров не накладывались на волны снижения давления от других. При этом желательно отсутствие резких поворотов трубопроводов, резких изменений их сечений, что повышает гидравлические потери и соответственно снижает энергию импульса давления. В правильно созданной установке турбина работает с высоким КПД, а инерционность ротора обеспечивает постоянство его частоты вращения между импульсами давления ОГ. Обеспечить высокий КПД ТК не просто, т. к. скорость газов на входе в турбину постоянно меняется, а частота вращения практически остаётся постоянной (благодаря указанной инерционности ротора), поэтому необходимо выбирать определённое чередование поступления импульсов давления в коллектор, обеспечивающее эффективность работы турбины. Так, у 6 – ти цилиндрового двигателя с порядком работы цилиндров 1, 3, 5, 6, 4, 2 наиболее рациональным является разделение выпуска на два коллектора. В один подаются ОГ от цилиндров №№ 6, 2 и 3, а в другой – от цилиндров 1, 5, 4. Т. е. чередование выпусков в коллектор происходит через 240⁰ поворота коленчатого вала. При этом, длина трубопровода такова, что импульс давления от одного цилиндра, отразившись от конца коллектора волной “разрежения” (пониженного давления), подходит к другому цилиндру в момент, когда его выпускной клапан ещё открыт. Этим обеспечивается продувка цилиндра во время перекрытия клапанов. На рис. 6.7. показана осциллограмма изменения мгновенного давления газов (кривая а) в выпускном коллекторе, в который поступают выпускные газы от цилиндров №№ 6, 2, и 3.

На схеме показаны фазы открытого состояния выпускных и впускных клапанов (соответственно чёрные и белые прямоугольники), среднее давление выпуска (линия с), среднее давление впуска (линия b), периоды перекрытия клапанов соответствующих цилиндров (b₆, b₂, b₃). Величина е показывает превышение давления р_к над давлением р_р, а величина f – превышение давления во впускном коллекторе над давлением в выпускном коллекторе, т. е. отражает возможности продувки цилиндра при перекрытии клапанов.

На рис. 6.8. показано изменение давлений в одной ветви коллектора 6 –ти цилиндрового двигателя с порядком работы цилиндров 1, 5, 3, 6, 2, 4 при объединении в эту ветвь выпусков из трёх цилиндров (1, 3, 2).

Рис. 6.7. Характеристики изменения мгновенных значений давления газов в выпускном коллекторе 6^ти цилиндрового двигателя с порядком работы 1-3-5-6-4-2. А – мгновенное давление газов в выпускном коллекторе, b – среднее давление наддува (р_кср), с – среднее давление выпуска (р_рср), е – превышение р_кср над р_рср, f – превышение р_кср над р_{р мгновенн.}, b₁, b₂, b₃ – периоды перекрытия клапанов, продувки цилиндров.

Рис. 6.8. Изменение давления перед турбиной (р₃) и в цилиндре (р_ц1) при системе, создающей три импульса в коллекторе (выпуск от трёх цилиндров осуществляется в одну ветвь трубопровода).

Показано давление перед турбиной (обозначено как р₃), давление во впускном коллекторе (р_вп) и в цилиндре № 1 (р_ц1). Видны импульсы (волны) давлений при открытии выпускных клапанов цилиндров №№ 1, 3 и 2. Перекрытие клапанов первого цилиндра обозначено j_пер.1. Как видно, в период перекрытия клапанов давление во впускном трубопроводе превышает и давление в выпускном и давление в цилиндре. Причём, давление в цилиндре выше давления в коллекторе. Т. происходит продувка цилиндра. При организации таких процессов важную роль играет длина коллектора. Она сказывается на положение волны, отражённой от конца коллектора, относительно волны давления выпуска. На рис. 6.9 показаны изменения давления в коллекторе при разных длинах коллектора.

Рис. 6.9. Влияние длины коллектора на формирование отражённой волны и наложение её на прямую волну давления. Р – текущее давление в коллекторе, A, B, C – варианты с короткими коллекторами, D – вариант с оптимальной длиной коллектора. 1 – 2 – период продувки.

При очень коротком коллекторе (схема А) отражённая волна падения давления накладывается на волну давления, “гасит” её частично и в результате не создаётся волны пониженного давления в период 1 – 2 перекрытия клапанов, продувка неудовлетворительна. В случае В, когда длина коллектора была несколько увеличена, отражённая волна имеется, но не улучшает продувки. В случае С, когда трубопровод был ещё более удлинён, отражённая волна сформировала в период перекрытия клапанов повышенное давление, продувка отсутствует. Лишь при длине коллектора в варианте D в период перекрытия клапанов 1 – 2 были созданы условия для эффективной продувки цилиндра.

Эффективность продувки существенно зависит от объёма коллектора и от проходного сечения коллектора на входе в турбину. Как показано на рис. 6.10, при эффективно подобранном объёме коллектора (вариант А), продувка протекает эффективно, заштрихованная часть (b₁) показывает разницу между средним и мгновенным давлениями в коллекторе.

Рис. 6.10. Влияние объёма коллектора и проходного сечения турбины на эффективность продувки. А – вариант с оптимальным объёмом коллектора, B – слишком большой объём коллектора,C – задросселированный вход в турбину. b₁, b₂, b₃ – эффективность продувки пропорциональна заштрихованной площади.

При чрезмерно большом объёме коллектора (вариант В) в нём плохо формируются как волна давления, так и волна падения давления, возрастает среднее давление в коллекторе. Продувка цилиндра (b₂) не эффективна. При задросселированном входе в турбину (схема С) существенно возрастает среднее давление выпуска. Мгновенное давление в коллекторе лишь на части периода перекрытия клапанов снижается ниже давления на впуске, эффективность продувки низка (b₃). Важным ключём к созданию хорошего комбинированного ДВС является правильный выбор порядка подачи ОГ в выпускной коллектор, связанный со входом в турбину ТК.

На рис. 6.11 показаны примеры разделения выпускных трубопроводов и группировки цилиндров при системе импульсного наддува четырёхтактного рядного двигателя.

Рис. 6.11. Примеры разделения выпускного трубопровода и группировки цилиндров при системе импульсного наддува четырёхтактных рядных двигателей.

Наилучшим вариантом такого разделения является случай, когда в одну ветвь коллектора осуществляется выхлоп из трёх цилиндров, причём, чередование вспышек составляет 240⁰ п. к. в. Для импульсного наддува такое чередование является наилучшим, хотя при интервале между вспышками, равном 360⁰ для 4 ^х– тактного двигателя и соответственно 180⁰ для двухтактного был бы обеспечен более длительный период продувки. С учётом желательного минимального интервала между вспышками следует, что для четырёхцилиндрового двигателя для осуществления импульсного наддува требуется два, а для восьмицилиндрового – четыре выпускных коллектора. При этом, если используется один турбокомпрессор, то газоподводящий корпус турбины должен быть разделён соответственно на два или четыре сегмента. Для пятицилиндрового двигателя с симметричным расположением колен требуется три, а семицилиндровому – четыре коллектора, причём, в обоих случаях все цилиндры, кроме одного, сгруппированы попарно.

Для V-образных двигателей схемы разделения трубопроводов и группировки цилиндров показаны на рис. 6.12.

Рис. 6.12. Примеры разделения выпускных трубопроводов, группировки цилиндров и входов в турбины для четырёхтактных V – образных двигателей.

Видно, что наилучшие результаты достигаются у 12^ти цилиндрового и 16^ти цилиндрового двигателя, на которых установлены два или соответственно четыре ТК, газоподводящий корпус каждого их которых имеет по два сегмента.

Импульсный наддув при возрастании неравномерности интервалов между вспышками в цилиндрах, подсоединённых к одной ветви трубопровода, и при увеличении отношения числа ветвей выпускного трубопровода к числу цилиндров теряет свои преимущества по следующим причинам.

1. КПД турбокомпрессора уменьшается при увеличении изменений давления в потоке газов (при увеличении импульсности потока). Под КПД турбокомпрессора понимается отношение работа компрессора по адиабатному сжатию воздуха к фактической величине располагаемой энергии выпускных газов (некажущейся энергии, определяемой из средних величин).

2. КПД также существенно уменьшается при частичном подводе газов в турбину. (Изменяющийся парциальный впуск газов имеет место тогда, когда подвод газов к турбокомпрессору осуществляется при переменном давлении, т. к. в одно и то же время в одной подводящей к сопловому аппарату турбины полости имеется высокое давление, а в другой низкое).

3. КПД ТК падает особенно сильно, если через какую – то из газоподводящих полостей газ не проходит в течение некоторого времени, т. е. давление перед турбиной снижается. В этом случае возникают вентиляционные потери в лопатках турбины, а у радиальных турбин возможен обратный поток, т. е. работа турбины или снижается или не производится.

4. Если интервал между вспышками в цилиндрах, от которых осуществляется выпуск в одну ветвь трубопровода, значительно больше, чем период выпуска из одного цилиндра, то эта ветвь опорожняется, т. е. давление в ней приближается к давлению за турбиной. При этом последующий импульс газов должен сначала наполнить ветвь трубопровода, прежде, чем будет достигнут заметный перепад давления. Вследствие этого энергия давления, наиболее эффективная для преобразования в мощность турбины, теряется, т. е. переходит в теплоту.

На рис. 6.13 показаны осциллограммы изменения давления в коллекторе при различных вариантах объединения цилиндров.

Рис. 6.13. Схема волн давления в выпускном коллекторе.

Наилучшие результаты даёт объединение в один коллектор, связанный со входом в турбину, выпусков из трёх цилиндров шестицилиндрового двигателя с чередованием вспышек через 240 градусов поворота коленчатого вала (в данном случае с порядком работы 6-4-2-5-3-1). Эта схема приведена на верхнем рисунке. Ниже показаны результаты объединения в коллекторе на один вход в турбину двух и одного цилиндра. Видно, что хотя во втором и третьем случаях время перекрытия клапанов увеличено, но ни выигрыша от продувки, ни улучшения условий работы турбины не получено. Зона S_d показывает, что давление перед турбиной падает слишком сильно, турбина в это время не развивает мощности, т. е. для привода того же компрессора нужна турбина повышенных размеров.

Аналогичная картина (объединение в один коллектор выпусков из двух цилиндров) показана на рис. 6.14 для высокофорсированного восьмицилиндрового дизеля с двумя симметричными импульсами, т. е. с разделённым на четыре ветви выпускным трубопроводом.

В показанную на рисунке ветвь трубопровода производится выпуск из цилиндров №№ 1 и 8; место измерения, так же как и газовая турбина, находится вблизи цилиндра №1. Видно, что пик давления перед турбиной от цилиндра № 8 значительно выше, чем от цилиндра № 1 (хотя, как сказано выше, измерение давления происходит в коллекторе у цилиндра № 1).

Рис. 6.14. Изменение давления перед турбиной р₃ и в цилиндре р_ц1 при симметричном импульсном выпуске от двух цилиндров в один трубопровод.

Это объясняется следующим. Импульс от выпуска цилиндра № 1 разделяется на два, а именно: один идёт непосредственно к турбине, а другой – к цилиндру № 8, где отражается от закрытого конца трубопровода и возвращается к цилиндру № 1 уже позднее, после срабатывания первой половины импульса на турбине. Импульс от цилиндра № 8 попадает прямо на турбину.

В данном случае сопловые сегменты входа в турбину имеют сравнительно малые проходные сечения. Поэтому для данной схемы давление в выпускном коллекторе снижается медленно (в отличие от случаев трёхканального подвода газов, рис. 6.13. верхний) давление в цилиндре достигает уровня давления наддува (р_вп) сравнительно поздно, для чего при оптимальной настройке потребовалось бы более позднее открытие впускного клапана, чем при трёхканальном подводе газа.

На рисунке видно, что после окончания продувки давление в коллекторе продолжает падать, приближаясь к уровню давления за турбиной. Было определено, что если интервал между вспышками в подключённых к ветви коллектора цилиндров превысит 360 градусов (например, составит 432 и 288 градусов, как у 5-ти цилиндрового двигателя) при несимметричном двухканальном подводе газа или же составит 720⁰ при подключении только одного цилиндра к ветви выпускного коллектора, то будут иметь место периоды, когда газ вообще не будет проходить через турбину, её КПД резко снизится. Таким образом, наиболее благоприятна система, в которой создаются три, причём симметричных импульса в данной ветви коллектора. У двухтактных двигателей при интервале между вспышками, равном 120⁰ п. к. в. импульс давления на выпуске последующего цилиндра начинается в конце продувки предыдущего цилиндра. Поэтому при симметричной диаграмме газораспределения имеет место эффект дозарядки.

Итак, при импульсной системе для двигателей с числом цилиндров, кратным трём, легче достичь высокой эффективности наддува, чем для других чисел цилиндров.

Дата добавления: 2014-12-26