Резонансные трубопроводы

Подача дополнительного воздуха в цилиндры двигателя

Турбонаддув

Мощность, развиваемая двигателем, зависит от количества воздуха и смешанного с ним топлива, которое может быть подано в двигатель. Если нужно увеличить мощность дви­гателя, следует увеличить как количество подаваемого воздуха, так и топлива. Подача большего количества топлива не даст эффекта до тех пор, пока не появится достаточное для его сгорания количество воздуха, иначе образуется избыток несгоревшего топлива, что приво­дит к перегреву двигателя и повышенной токсичности отработавших газов.

Увеличение мощности двигателя может быть дости­гнуто путем увеличения либо его рабочего объема, либо частоты вращения коленчатого вала. Увеличение рабочего объема увеличивает вес, размеры двигателя и, в конечном итоге, его стоимость. Увеличение частоты вращения коленчатого вала проблематично из-за возникающих при этом технических проблем, особенно для двигателей с большим рабочим объемом.

Технически приемлемым решением проблемы увеличения мощно­сти является использование нагнетателя (компрессора). Это озна­чает, что подающийся в двигатель воздух сжимают перед его впуском в камеру сгорания.

Другими словами, компрессор обеспечивает подачу необходимого количества воздуха, достаточного для полного сгорания увеличенной дозы топлива. Следовательно, при прежнем рабочем объеме и той же частоте вращения коленчатого вала мы получаем большую мощность.

Существует две основные системы наддува: с механическим приводом (рис. 1.46, а) и «турбо» (рис. 1.46, б) (использующие энергию отработавших газов). Кроме того, существуют также комбинированные системы, например, турбокомпаундная (рис. 1.46, в).

Рис. 1.46. Системы наддува двигателей:

1 ­– нагнетательное колесо; 2 – привод компрессора; 3 – коленчатый вал; 4 – приводное колесо

В случае компрессора с механическим приводом необходимое давление воздуха получают благодаря механической связи между коленчатым валом двигателя и нагнетательным колесом или компрессором. В турбоком­прессоре давление воздуха получают благодаря вращению турбины потоком отработавших газов.

Турбокомпрессор состоит из двух турбин, состоящих из нагнетательного колеса 2 и приводного 9, связанных между собой при помощи вала (рис. 1.47). Вал установлен на двух опорах 11 и 12, на которые постоянно подается масло, охлаждающее и смазывающее опоры.

Обе турбины вращаются в одном направле­нии и с одинаковой скоростью. Выходящие из цилиндров двигателя отработавшие газы имеют высокую температуру и давление. Они разгоняются до боль­шой скорости (около 10 000об/мин) и вступают в контакт с лопатками приводного колеса 9, и преобразует их кинетическую энергию в механическую энергию вра­щения (крутящий момент). С такой же скорость вращается и нагнетательное колесо турбины 2, которое подает сжатый воздух к двигателю. Нагнетательное колесо 2 выполнено таким образом, что уже при небольшом потоке отработавших газов достигается достаточное давление нагнетаемого воздуха. В режиме полной нагрузки двигателя достигается максимальное избыточное давление (1,1…1,6 кгс/см²) при частоте вращения коленчатого вала около 2000 об/мин и поддерживается постоянным при дальнейшем наборе частоты вращения вплоть до максимальной.

Рис. 1.47. Турбокомпрессор:

1 – трубопровод для подачи сжатого воздуха от турбины к диафрагме; 2 – нагнетательное колесо турбины; 3 – корпус нагнетательного колеса; 4 – промежуточный корпус; 5 – сбрасывающий клапан; 6 – диафрагма; 7 – пружина; 8 – диафрагменная камера; 9 – приводное колесо; 10 – корпус турбонагнетателя; 11,12 – опоры; А – подача воздуха от воздушного фильтра; B – подача воздуха к впускным клапаном; C – обводной канал сбрасывающего клапана для ограничения давления нагнетания; D – подача отработавших газов от двигателя; E – подача отработавших газов к выпускной системе; H – подача смазки; J – отвод смазки; K – подача сжатого воздуха для открытия сбрасывающего клапана

Между двигателем и турбокомпрессором существует связь только через поток отработавших газов. Частота вращения турбин напрямую не зависит от частоты вращения коленчатого вала двигателя и характери­зуется некоторой инерционностью, т.е. сначала увеличивается подача топлива, увеличивается энергия потока отработавших газов, а затем уже увеличивается частота вращения турбины и давление нагнетания, и в ци­линдры двигателя поступает еще больше воздуха, что дает возмо­жность увеличить подачу топлива. Этим объясняется повышенная дымность отработавших газов дизельных двигателей с наддувом.

Для предотвращения повышения давления больше необходимого при высоких частотах вращения предусмотрено специальное устройство состоящее из сбрасывающего клапана 5 и диафрагмы 6 с пружиной. Полость перед диафрагмой связана с давлением потока входящего воздуха через трубопровод 1. При увеличении давления, которое происходит с ростом частоты вращении коленчатого вала, диафрагма прогибается сжимая пружины и сбрасывающий клапан открывается. Отработавшие газы при этом проходят через дополнительный обводной канал С, что уменьшает частоту вращения приводного колеса турбины, а значит и нагнетательного колеса. Давление наддува при этом становится постоянным.

Для двигателей, работающих в широком диапазоне частот вращения коленчатого вала (к примеру, в легковом автомобиле), высокое давление наддува жела­тельно даже на низких частотах. Именно поэтому будущее принадле­жит турбокомпрессорам с регулируемым давлением. Небольшой диа­метр современных турбин и специальные сечения газовых каналов способствуют уменьшению инерционности, т.е. турбина очень быстро разгоняется, и давление воздуха очень быстро достигает требуемого значения.

Для удовлетворения постоянно возрастающих требований, кото­рые сегодня предъявляются к автомобильной технике в области рас­хода топлива, токсичности отработавших газов и уровня шума, разрабатываются электронные системы управлением наддувом, одна из которых представлена на рис. 1.48.

На первом этапе, на основании определенного числа параметров, таких как температура охлаждающей жидкости, масла, впускаемого воздуха и отработавших газов, анализируется состояние двигателя. Измеряются также частота вращения коленчатого вала, положение педали акселератора и другие параметры. Все эти данные анализируются электронным блоком управления и используются для определения идеального в данных условиях давле­ния наддува для двигателя.

На втором этапе это значение давления передается на исполнительные устройства, которые регулируют давление во впу­скной системе. При определении этого давления учитываются также критические условия работы двигателя, в частности, детонация. Аку­стические датчики позволяют распознать самовоспламенение, наско­лько малым бы оно ни было. Давление наддува в этом случае пони­жается. Эта операция повторяется до тех пор, пока детонация не ис­чезнет. Когда детонация прекращается, давление наддува снова во­зрастает до первоначального значения. Электронный блок управления также определяет идеальное давление наддува в случае повторяющейся детонации, во­зникающей, например, из-за использования низкокачественного то­плива.

Электромагнитный клапан получает электрический сигнал, кото­рый определяет время его открывания, и работает, соответственно, как регулятор давления наддува.

Таким образом, на мембрану воздействует не все давление над­дува, а только его большая или меньшая часть, которая зависит от положения электромагнитного клапана.

При нажатой педали акселератора электронный блок управления подает команду на закрытие клапана, и все отработавшие газы направляются в турбину, из-за чего давление наддува возрастает и двигатель развивает зна­чительную мощность, что делает возможным резкое ускорение авто­мобиля. Как только желаемая скорость движения достигнута сбрасывающий клапан открывается, и давление наддува становится обычным.

Рис. 1.48. Электронное управление турбонаддувом:

1 ­– информация о температуре всасываемого сжатого воздуха; 2 - информация о режиме работы двигателя; 3 - информация о температуре охлаждающей жидкости; 4 - информация о давлении во впускном трубопроводе: 5 - информация от датчика детонации; 6 –датчик детонации; 7 – двигатель; 8 – воздух, находящийся под давлением; 9 – заслонка моторного тормоза; 10 – электромагнитный клапан; 11 – воздушный фильтр; 12 - нагнетательное колесо; 13 – приводное колесо; 14 – сбрасывающий клапан; 15 – электронный блок управления

Вариантом системы наддува для двигате­лей легковых автомобилей является вол­новой нагнетатель воздуха, известный также под названием Comprex. Приводи­мый от двигателя через зубчатый ремень 2, разделенный на секции ротор 7 вра­щается в цилиндрическом корпусе, име­ющем с торцов щелевые окна для прохо­да свежего воздуха и выхода отработавших газов (рис. 1.49). Система окон и полостей выполнена особым об­разом, что позволяет волны давления потока 5 отработавших газов преобразовывать в повы­шенное давление потока 1 свежего воз­духа.

Рис. 1.49. Волновой нагнетатель:

1 – поток свежего воздуха под высоким давлением; 2 – зубчатый ремень; 3 – поток свежего воздуха под низким давлением; 4 – поршень двигателя; 5 – поток отработавших газов под высоким давлением; 6 – поток отработавших газов низкого давлением; 7 – ротор; 8 – щелевые окна

Существенным достоинством волнового нагнетателя является непосредственный газодинамический энергообмен между отработавшими газами и свежим воздухом без участия каких-либо промежуточных механизмов. Такой энергообмен происходит со звуковой и сверхзвуковой скоростью. Волновой обменник, как и механический нагнета­тель, автоматически реагирует на изме­нения нагрузки изменением давления наддува. При постоянном передаточном отноше­нии между двигателем и волновым нагнетателем энергооб­мен оптимален только для одного рабочего режима. Для устране­ния этого недостатка на торцах корпуса имеется ряд воздуш­ных «карманов» раз­ной формы и размера, благодаря которым диапазон оптималь­ной работы нагнетате­ля расширяется. Кро­ме того, это позволяет достичь благоприят­ного протекания кри­вой крутящего момен­та, чего невозможно осуществить с помо­щью других методов наддува.

Волновой, нагнета­тель, по сравнению с другими способами наддува, требует мно­го места для ремен­ной передачи и систе­мы трубопроводов. Это усложняет возможность его установки в условиях огра­ниченного объема подкапотного про­странства автомобиля.

Для дизельных двигателей находит применение нагнетатель с изменяемой геометрией турбины, позволяющий ограничивать поток отработавших газов через турбину при высокой частоте вращения коленчатого вала двигателя (рис. 1.50).

Рис. 1.50. Турбонагнетатель с изменяющейся геометрией турбины:

а – положение направляющих лопаток при высокой скорости потока отработавших газов; б – положение направляющих лопаток при низкой скорости потока отработавших газов; 1 – крыльчатка турбины; 2 – управляющее кольцо; 3 – подвижные направляющие лопатки соплового аппарата; 4 – управляющий рычаг; 5 – управляющий пневматический цилиндр; 6 – поток отработавших газов

Подвижные направляющие лопатки 3 соплового аппарата изменяют попе­речное сечение каналов, через которые отработавшие газы устремляются на крыльчатку турбины. Этим они согласовывают возникаю­щее в турбине давление газа с требуе­мым давлением наддува. При низкой на­грузке на двигатель подвижные лопатки открывают небольшое поперечное сече­ние каналов так, что увеличивается про­тиводавление отработавших газов. Поток газов развивает в турбине высокую скорость, обеспечи­вая высокую частоту вращения вала на­гнетателя (рис.1.50,а). При этом поток отработавших газов дейст­вует на более удаленную от оси вала об­ласть лопаток крыльчатки турбины. Та­ким образом, возникает большее плечо силы, которое дополнительно увеличи­вает крутящий момент. При высокой на­грузке направляющие лопатки открыва­ют большее поперечное сечение кана­лов, что уменьшает скорость течения потока отработавших газов (рис.1.50, б). Вследствие этого турбо­нагнетатель при равном количестве отработавших газов меньше ускоряется и работает с мень­шей частотой при большем количестве газов. Этим способом ограничивается давление наддува. Поворотом управляющего кольца 2 изменяется угол направления лопаток, которые устанавливаются на желаемый угол либо непосредственно отдельным управляющим рычагом 4, укрепленным на лопатках, либо поворотными кулачка­ми. Поворот кольца осуществляется при помощи управляющего пневматического цилиндра 5 под действием разрежения или давления воздуха либо, как вариант, при помощи электродвигателя с обрат­ной связью по положению лопаток (дат­чик положения). Нагнетатель с из­меняемой геометрией в положении покоя открыт и поэтому безопасен, т. е. при от­казе управления ни он сам, ни двигатель не повреждаются. Происходит лишь по­теря производительности на низких час­тотах вращения коленчатого вала.

Резонансные трубопроводы

Для того чтобы обеспечить увеличение крутящего момента без значительного повышения частоты вращения коленчатого вала, отдельные производители двигателей, например БМВ, применяют резонансные впускные трубопроводы 1 (рис.1.51). В главном коллекторе 3 такого трубопровода производится разделение основного потока впускаемого воздуха на две тройные группы. Обе группы впускного трубопровода соединяются между собой резонансным трубопроводом 1 для обеспечения необходимой частоты резонансных колебаний и предназначены каждая для отдельной области частоты вращения коленчатого вала. В резонансном трубопроводе установлена дроссельная заслонка 7, открывающаяся по сигналу бока управления и служащая для изменения потоков всасываемого воздуха на средней частоте вращения коленчатого вала.

Рис. 1.51. Впускной трубопровод двигателя БМВ 3ер:

1 – резонансный трубопровод; 2 – переходной трубопровод; 3 – коллектор; 4 – трубопроводы; 5 – управляющий клапан коллектора; 6 – управляющий клапан переходного трубопровода; 7 – дроссельная заслонка

При низкой частоте вращения коленчатого вала (рис. 1.52, а) оба управляющих клапана закрыты, низкочастотные колебания присутствуют в обеих тройных группах. При средней частоте вращения коленчатого вала открыт клапан переходного трубопровода (рис. 1.52, б). Обе половины впускного трубопровода при этом образуют колебательную систему, способствующую созданию эффекта дополнительной подачи воздуха в цилиндры. При частоте вращения коленчатого вала около 4500 об/мин оба управляющих клапана открываются (рис. 1.52, в), чем создается эффект дополнительной подачи воздуха, благодаря отражению волн всасываемого воздуха, в цилиндры всех шести трубопроводов при номинальной частоте вращения коленчатого вала. Этот эффект сохраняется до частоты вращения коленчатого вала 7000 об/мин.

Рис. 1.52. Движение потоков воздуха по трубопроводу:

а – низкая частота вращения коленчатого вала двигателя; б – средняя частота вращения коленчатого вала двигателя; в – высокая частота вращения коленчатого вала двигателя