Наддув приводним нагнітачем

Є одним з ефективних способів підвищення мощності.Данний вид наддуву в основному використовується на суднових і стаціонарних двигунах, але завдяки розвитку сучасних технологій він все частіше використовується на бензинових автомобільних двигунах.

Приводний нагнітач (ПН) - це агрегат, який забезпечує швидку передачу повітря, створюючи при цьому підвищений тиск, необхідне для наддуву. Відмінна риса всіх ПН в тому, що вони мають жорстку зв'язок з колінчастим валом двигуна і приводиться в роботу через ремінний привід або зоряну передачу. Маючи жорстку зв'язок з колінчастим валом, приводний нагнітач забезпечує більш високий тиск наддуву на невеликих частотах обертання двигуна, що покращує динамічні якості транспортних засобів, при цьому зменшуються викиди сажі в навколишнє середовище. Потужність компресора при його механічному приводі безперервно росте з ростом тиску наддуву, що також є перевагою таких агрегатів наддуву. Найбільшого поширення серед приводних нагнітачів отримали об'ємні і відцентрові компресори.

Об'ємні компресори. Компресори з обертовими робочими частинами, звані ще роторними. Об'ємні компресори діляться на кілька типів.

Пластинчасті компресори. Агрегати такого типу часто застосовуються для наддуву бензинових ДВС. Застосування таких компресорів для наддуву дизельних двигунів обмежується максимально досяжної частотою обертання, проблемою змащування і охолодження.

Перевагами таких компресорів є можливість подавати повітря миттєво на початку обертання валу двигуна, пропорційне збільшення продуктивності компресора з ростом потреби в надувочного повітрі двигуна. Конструкція компресора порівняно проста і дешева, а його габарити прийнятні для двигунів з наддувом. Пластинчасті компресори забезпечують підвищення тиску наддуву до 0,5 ... 0,6 бар.

Лопатеві компресори. Найбільш широко, в порівнянні з іншими об'ємними компресорами, застосовуються в ДВС для наддуву. Компресор такого типу був запропонований ще в XIX столітті англійцем Roots. Тому такі компресори отримали назву «Рутс».

Перевагою компресора типу «Рутс» є те, що його ротори в корпусі і один щодо одного працюють з зазорами. Завдяки цьому в роторах відсутні сили тертя, не потрібно змазування і охолодження роторів. Наслідок цього - висока надійність і довговічність таких машин. Матеріали компресорів «Рутс» більш дешеві, так як не повинні мати високої термічної та механічної міцності.

Слід взяти до уваги, що з-за механічного зв'язку з колінчастим валом, такі компресори переважні для наддуву бензинових двигунів, завдяки високим показникам прискорення, які вони забезпечують двигуну. Частота обертання компресорів «Рутс» досягає 18 000 хв -1.

При частоті обертання близько 1 500 хв -1 ротори компресора такого типу, переносять близько 9 000 м 3 на годину.

Гвинтові компресори. Конструктивно гвинтові компресори близькі до лопатевим компресорів. У порівнянні з компресорами типу «Рутс» гвинтові компресори мають більш високий ККД (включаючи механічні втрати на тертя до 82%) і допускають більш високі ступені підвищення тиску повітря.

До переваг гвинтових компресорів відноситься їх компактність, що досягається високою швидкохідністю, а також відсутність систем охолодження (мається тільки повітряне охолодження) і змазування.

Відцентрові компресори. Відцентровий компресор є однією з частин турбокомпресора (більш докладний опис в розділі «Газотурбінний наддув»). Ротор відцентрового компресора може обертатися зі швидкістю від 15 000 ... 200 000 хв -1. в залежності від розмірів компресора.

Перевагою відцентрових компресорів є їх низька маса і малі габарити. Механічний привід компресора забезпечує прийомистість двигуна. У той же час розміщення на двигуні механічного приводу є складною і дорогою проблемою.

«Компрекс» - найбільш досконалий хвильової обмінник серед існуючих сьогодні. «Компрекс» - це система, яка об'єднує енергію відпрацьованих газів і механічний привід від колінчастого вала двигуна. Така система дозволяє використовувати енергію відпрацьованих газів двигуна для стиснення поступає в циліндри, при їх безпосередньому контакті. ККД хвильових обмінників тиску досягає 75%, а ступінь підвищення тиску - 2,1.

«Компрекс» забезпечує двигуну високу прийомистість. З даною системою можливе підвищення крутного моменту на величину до 70% (до 40% без проміжного охолоджувача) в порівнянні з моментом двигуна без наддуву. При застосуванні в легкових автомобілях, система «Компрекс» забезпечує плавно змінюється тиск наддуву зі зміною частоти обертання. Додаткова перевага - підвищення екологічності дизельного двигуна.

У той же час системі притаманні і певні недоліки, що перешкоджають її широкому розповсюдженню. Перш за все, це великі габарити і висока вартість. У порівнянні з об'ємними компресорами, розміщення «Компрекс» на двигуні так само складно через необхідність зв'язку з валом двигуна.

Приводний нагнітач в порівнянні з турбокомпресором має ряд недоліків, який не дає можливість встановлюватися на двигунах частіше компресорів з приводом від газової турбіни.

Найважливішим недоліком є ​​те, що для приводу компресора потрібно затратити частина потужності самого двигуна. У цьому випадку енергія відпрацьованих газів марно викидається в атмосферу, на відміну від випадку використання турбокомпресора. Двигун з турбокомпресором завжди буде мати більш високий ККД, зокрема завдяки використанню частини енергії відпрацьованих газів. Цей факт менш відчутний в бензинових двигунах завдяки порівняно низькому рівню застосовуваного в них наддуву і особливостям дросельного регулювання їх потужності. Важливим показником нагнітача є його габарити. Завдяки високій частоті обертання, досягнутої у турбокомпресорів, їх габарити надзвичайно зменшилися в порівнянні з габаритами об'ємних нагнітачів, як і до мас нагнітачів.

Саме з цих причин найбільшого поширення в практиці сучасного двигунобудування отримав турбокомпресор.

Турбокомпресор (ТКР) - це окремий агрегат, який складається з компресора і газової турбіни, які механічно пов'язані між собою (Рис.1.). Одна частина ТКР пов'язана з випускною системою двигуна і приводиться в рух енергією відпрацьованих газів (ОГ) двигуна - це турбіна. Друга частина пов'язана з впускний системою, наводиться енергією турбіни і служить для подачі повітря в циліндри під тиском. Частота обертання турбокомпресора досягає 150 000 хв -1 .Головна завдання турбокомпресора - примусова подача стисненого повітря в циліндри двигуна за рахунок використання енергії відпрацьованих газів. Тим самим забезпечується повнота згоряння збільшеної частки палива, що дозволяє при колишньому робочому обсязі і тих же оборотах двигуна отримувати більшу потужність.

Мал. 1. Турбокомпрессор:

1 - корпус турбіни, 2 - робоче колесо турбіни, 3 - вал ротора, 4 - корпус підшипникового вузла, 6 - дифузор компресора, 7 - робоче колесо компресора, 8 - корпус компресора, 9 - підшипники.

Принцип роботи ТКР

Відпрацьовані гази надходять з циліндрів двигуна в корпус турбіни 1 через випускний колектор. Там ОГ впливає на лопатка колесо турбіни 2. змушуючи обертатися його з великою швидкістю. Колесо турбіни передає обертання колеса компресора 7. з яким жорстко пов'язано валом (ротором) 3. Повітря через впускний патрубок компресора надходить на колесо компресора, де під дією відцентрових сил він відкидається на стінку корпусу компресора (через дифузор 6). У корпусі швидкість повітря зменшується, а тиск зростає. Далі повітря спрямовується в двигун. Вал ротора знаходиться в підшипниковому корпусі 4. який з'єднує корпус компресора 8 і турбіни 1. Щоб робота компресора була досить довгою, вал обертається на підшипниках 9. до яких подається масло.

Між двигуном і турбокомпресором не існує жорсткого зв'язку, як в приводних нагнітачах. Частота обертання турбокомпресора безпосередньо не залежить від числа обертів двигуна і характеризується деякою інерційністю, тобто спочатку збільшується подача палива, збільшується енергія потоків відпрацьованих газів, а потім вже збільшуються обороти турбіни і нагнітається тиск надходить в циліндри двигуна.

Корпус і матеріали ТКР

Корпус турбіни і компресора зроблені спеціальною формою у вигляді «равлика». У корпусі є два отвори, які є входом і виходом, причому у турбіни і компресора вони різні. У турбіні з випускного колектора ОГ потрапляють в турбокомпресор через бічний отвір. Гази проходять по внутрішньому каналу турбіни. Цей канал поступово звужується, і гази, проходячи через нього, прискорюються і потрапляють до колеса турбіни і приводять його в обертання. Зроблено так, щоб використовувати максимальну кількість енергії відпрацьованих газів. Швидкість обертання турбіни залежить від форми і розміру каналу. Форма корпусу компресора така ж, як і у турбіни, але напрямок руху там зворотне. Повітря через центральний отвір надходить в колесо компресора, де під дією відцентрових сил його швидкість різко збільшується і виходить з колеса компресора в дифузор. У дифузорі швидкість повітря зменшується, а тиск зростає. Завдяки цьому повітря стискається і через впускний колектор потрапляє в двигун. Розміри компресора залежать від кількості повітря, необхідного для двигуна.

Корпус ротора турбокомпресора (картридж) утворює його центральну частину, розташовану між турбіною і компресором. Ротор обертається в підшипниках ковзання. Моторне масло по каналах проходить між корпусом і підшипниками, а також між підшипниками і ротором.

Будь-яка конструкція картриджа передбачає також необхідність максимального зниження теплообміну між турбіною і компресором. З цією метою з боку турбіни встановлюється термоизоляционная прокладка.

Направляючий апарат турбіни може бути виконаний лопатковим або безлопаточним. Установка лопаток в спрямовуючий апараті підвищує економічність і ККД турбіни.

Корпус компресора виготовляється з алюмінію. Корпус підшипникового вузла виготовляється з алюмінієвого сплаву або чавуну. Алюмінієвий корпус легше, а чавунний міцніше. Крім того, оскільки коефіцієнт теплопровідності чавуну значно менше, ніж алюмінію, при використанні чавунного корпусу зменшується тепловий потік, який передається від турбіни до компресора. Це трохи знижує температуру і підвищує щільність повітря, що стискається. Колеса компресорів та турбіни відливаються по виплавлюваних моделях. Матеріалом для коліс компресорів служить алюмінієвий сплав, а турбін - жароміцний сплав на нікелевій основі.

Зі зменшенням розмірів турбіни і компресора загальна величина сучасних турбокомпресорів також зменшується. При цьому турбіна розташовується все ближче до компресора.

Лопатки компресора можуть бути загнуті назад по відношенню до напрямку обертання колеса. Це призводить до підвищення ККД компресора, проте знижує його «натиск», що компенсується збільшенням частоти обертання ротора. Колесо турбіни жорстко з'єднується з ротором методом зварювання тертям, а колесо компресора кріпиться на роторі гайкою з лівим різьбленням.