Общие сведения о наддуве в дизельных двигателях

1. Общие сведения о наддуве в дизельных двигателях

 

Основная  идея наддува - увеличение заряда и  мощности двигателя путем подачи в цилиндры воздуха повышенной плотности  под избыточным давлением  > [2, c. 116].

Наддув связан с предварительным сжатием, поступающего в двигатель воздуха, а увеличение заряда по сравнению с его величиной при атмосферных параметрах и определяется отношением плотностей (при = const):

 

(1)

 

Сжатие воздуха  обычно осуществляется в компрессоре (инерционный наддув, т.е. повышение  давления путем использования волновых явлений при неустановившемся течении воздуха во впускном трубопроводе, применяется сравнительно редко в двигателях малой мощности) и связано с увеличением не только давления, но и температуры. Непосредственно за компрессором давление = , температура = . Изменение плотности воздуха существенно зависит от степени повышения давления и его охлаждения (рисунок 1).

Наибольшее  увеличение плотности достигается  при изотермическом сжатии ( = =const), когда / . Отсюда необходимость охлаждения наддувочного воздуха за компрессором. Например, в судовых дизелях воздух охлаждается в поверхностных охладителях, прокачиваемых забортной водой, позволяющих при умеренных габаритах и гидравлических сопротивлениях = 150÷250 мм вод. ст. понизить температуру воздуха за компрессором до уровня, который превышает данную температуру забортной воды на 10-15°С.

 

Рисунок 1 - Зависимость плотности воздуха от давления

 

Следовательно, в ресивере двигателя с наддувом:

 

;

 

В случае равенства  = , пренебрежения величиной и потерей давления в фильтре компрессора ( ) увеличение заряда можно определить величиной :

 

(2)

 

Соотношение (2) справедливо и при последовательном, например, двухступенчатом сжатии воздуха, когда для принятых допущений общая степень повышения давления

Из выражения  нетрудно получить связь со степенью наддува двигателя:

 

(3)

 

При условии  , = , , и

 

,

 

а в случае равенства к. п. д. для сравниваемых двигателей устанавливаем идентичность степеней наддува и повышения давления:

 

. (4)

 

Наиболее  просто наддув можно получить при  механическом приводе компрессора  от вала двигателя. Такой наддув получил название механического, и система наддува состоит из компрессора, подающего воздух непосредственно в ресивер двигателя или через воздухоохладитель.

При умеренных  степенях 1,35 механический наддув получил распространение на четырехтактных двигателях. Двухтактные двигатели, оборудуемые продувочными насосами для осуществления процессов газообмена, также являются двигателями с механическим наддувом. Двигатель с приводом компрессора от вала обладает высокой приемистостью - способностью принимать нагрузку при ее набросе (быстром увеличении). Но затраты мощности на привод компрессора снижают эффективность наддува. При =1,24÷1,35 относительная мощность для привода компрессора = составляет 3-5% и возрастает до 10% при = 1,5, что уже ведет к заметному снижению механического к. п. д. ( < ) и ограничивает рост при повышенных давлениях .

Решение было найдено применением компрессора  с газотурбинным приводом, использующим энергию выпускных газов двигателя. Такая система получила название газотурбинного наддува. Турбокомпрессор, конструктивно объединяющий компрессор обычно центробежного типа и турбину, является главным элементом системы.

Однако в  ряде случаев и при газотурбинном  наддуве сохраняется механический привод дополнительного наддувочного компрессора или турбокомпрессора, позволяющий получить недостающую энергию от вала двигателя при пусковых и долевых режимах или в случае высоких значений отдавать избыточную мощность турбины при полных нагрузках валу двигателя [2, c. 125].

Системы газотурбинного наддува с элементами механического  наддува относятся уже к комбинированным  системам.

В общем случае система наддува включает турбокомпрессоры, работающие на выпускных газах, дополнительные компрессоры с механическим приводом, воздухоохладители, ресиверы, коллекторы, трубопроводы, составляющие газовоздушный тракт двигателя. В ней протекают процессы преобразования энергии с целью обеспечения двигателя воздухом, поэтому систему наддува называют также системой воздухоснабжения.

Получение заданных степеней наддува, как это следует из формулы (3), зависит не только от давления , но и от качества рабочих процессов, оцениваемых величинами коэффициента наполнения , параметра /α, а также от механического к. п. д. двигателя . Чем совершеннее рабочий процесс (выше и меньше α), тем меньший заряд воздуха необходим для реализации заданного значения и тем ниже давление наддува . Совместно с избытком продувочного воздуха (величиной коэффициента продувки ) снижение α влияет на энергетический баланс турбокомпрессора, так как оно ведет к росту температуры выпускных газов, снижению расхода воздуха и гидравлических сопротивлений трактов.

Таким образом, возможности наддува теснейшим  образом связаны с конструкцией, схемой газообмена, уровнем форсировки и характером эксплуатационных режимов двигателя. Последнее вытекает из характеристик систем наддува, представляющих собой зависимости относительных значений средних давлений воздуха в ресивере / и газа перед турбиной / от расхода воздуха через двигатель или газа через турбину . По кривым / =f( ), / f( ) совмещаемым с характеристикой компрессора / = f( ), можно проследить за условиями воздухоснабжения на различных режимах, изменением перепадов давления между ресивером и коллектором, а также выяснить возможность согласования рабочей линии компрессора / - ( , ) с областью устойчивых его режимов и высоких к. п. д.

Можно сформулировать следующие общие требования, которым  должны удовлетворять системы наддува:

эффективное использование энергии газов - получение  максимальной мощности турбины и  к. п. д. турбокомпрессора при высокой  экономичности работы двигателя на эксплуатационных режимах;

обеспечение двигателя воздухом при пусках и  малых нагрузках и его приемистости на переходных режимах, а также устойчивой работой компрессора на установившихся режимах;

система наддува  не должна быть излишне сложной в  конструктивном отношении, в управлении и обслуживании.

К системам наддува могут быть предъявлены и специальные требования, например введение регулируемого воздухоснабжения с целью обеспечения необходимого запаса крутящего момента при пониженных частотах вращения.

Полнее удовлетворяет  указанным требованиям и лучше  приспособлен к газотурбинному наддуву четырехтактный двигатель. Его рабочий цикл с насосными ходами поршня обладает саморегулированием процессов газообмена: при пусках и малых нагрузках смена заряда происходит независимо от работы турбокомпрессора, при полных нагрузках высокое качество газообмена ( п 0,95÷0,98; 1,1÷1,3) обеспечивается при минимальных перепадах давления между ресивером и коллектором ( 0,95÷0,98). Отсюда возможности получения повышенных параметров газа перед турбиной, увеличения ее мощности и степени, наддува двигателя при относительно меньших давлениях и удельных расходах воздуха g_в = 5,2÷5,3 кг/(л.с.*ч).

Этим и  объясняется сравнительно простая  организация газотурбинного наддува  четырехтактных дизелей, получившего  распространение уже в конце 30-х  гг. Даже при невысоком к. п. д. турбокомпрессора ( = 0,35÷0,40) заданные параметры наддува удавалось обеспечить путем увеличения работы вытеснения поршня и повышения давления газа перед турбиной. Газотурбинный наддув двухтактных дизелей с присущими им потерей давления на продувку цилиндров, повышенным расходом воздуха и более низкой температурой газов реализуется труднее и требует более тщательной доводки элементов системы. Турбокомпрессоры для наддува двухтактных дизелей начали применяться лишь в 50-е гг.

В четырехтактных двигателях достигнуты и наиболее высокие степени наддува ( = 3,5). На подавляющем большинстве двигателей осуществлен газотурбинный наддув при импульсном подводе газов к турбине с одноступенчатыми сжатием и охлаждением воздуха. Выпуск газов производят в разделенный выпускной трубопровод малого объема ( ), что позволяет [2, c. 131]:

а) реализовать  энергетические преимущества импульсного способа наддува;

б) интенсифицировать  продувку камеры сгорания и понизить теплонапряжепность ее элементов (особенно выпускных клапанов);

в) обеспечить подходящую приемистость двигателя, так  как энергия на участках импульсов  давления температуры газа при мгновенных набросах нагрузки зависит от подачи топлива.

Условия построения характеристики газотурбинного наддува (рисунок 2) вытекают из равенства расходов воздуха через двигатель и  компрессоры ( ) и давлений / и / (потерей давления в воздухоохладителе пренебрегаем). Отсюда совпадение рабочей линии компрессора / ) с расходной характеристикой двигателя / = ( ). Благодаря насосным ходам и малой энергии газов на пусковых режимах и малых ходах (до точки а) газообмен протекает, как и в обычном двигателе без наддува ( = 1), но с некоторым превышением давления над . Продувка камеры сгорания при этих режимах затруднена из-за большой фазы перекрытия, клапанов возможен заброс газов, ухудшение газообмена, сопровождаемое дымным выпуском и загрязнениями камеры сгорания и трактов. Теоретически продувка камеры сгорания начинается с точки k, когда при дальнейшем увеличении нагрузки р_s > р_т.

Наиболее  полно энергетические преимущества импульсного подвода газа выражены при непрерывном его поступлении к отдельным секторам разделенного соплового аппарата турбины (обычно при общем числе цилиндров, кратном трем, когда импульсы давления в каждом подводе чередуются через 240° поворота вала и турбина работает с полной пропускной способностью).

 

 

 

Рисунок 2. Характеристика газотурбинного наддува четырехтактного  дизеля: 1, 2 - / / = ( ) - рабочая линия компрессора и расходная линия двигателя; 3 - / ( ) расходная линия турбины; 4 - граница помпажа компрессора; - - - линии 1, 2, 3 при наддуве .

2. Контроль и диагностика  процессов воздухоснабжения

 

Задача  диагностики системы воздухоснабжения состоит в том, чтобы своевременно обнаруживать нарушения в работе ее отдельных элементов, что позволит избежать нежелательных последствий в работе двигателя, а определение степени изменения состояния элементов системы даст возможность обоснованно планировать профилактические работы [2, c. 173].

Излагаемые  методы диагностики систем воздухоснабжения двигателей с турбонаддувом основываются на анализе эталонных и измеренных значений параметров, к числу которых относятся расход воздуха , давление и температура воздуха и газов, частота вращения турбокомпрессора и температура воды, поступающей в воздухоохладитель. Точки замеров перечисленных параметров показаны на рисунке 3.

Методы определения  расхода воздуха. Расход воздуха  является одним из основных параметров, характеризующих эффективность системы воздухоснабжения. Поэтому нахождение простого и достаточно точного метода его оценки в эксплуатации является необходимым условием реализации задач диагностики.

Существует  ряд способов определения расхода  воздуха на двигателе, из числа которых  могут быть отмечены следующие: 1) посредством  дроссельной шайбы (измерение); 2) на основе измерения динамического  напора с помощью насадок Пито-Прандтля; 3) на основе анализа выпускных газов; 4) на основе измерения статических параметров воздуха в конфузоре компрессора.

. Метод измерения  расхода воздуха с помощью  дроссельной шайбы является наиболее  надежным и точным (погрешность  не превышает +2%), но для его  реализации на входе в компрессор необходимо устанавливать прямолинейную трубу длиной не менее 25 диаметров, что при больших размерах турбокомпрессоров и ограниченных пространствах машинного отделения бывает невозможно.

. В основу  второго метода определения расхода  воздуха положена зависимость скорости потока, а с ней и расхода, от динамического напора. В коротких трубопроводах при турбулентном течении скорость потока по сечению существенно различна, и это вынуждает для достижения требуемой точности в 1-2% измерять динамический напор в 20 точках и более, что требует установки большого количества трубок Пито-Прандтля и ограничивает возможности этого метода.

. Метод определения  расхода воздуха по данным  анализа выпускных газов широко  применяется в судовых испытаниях, но его погрешность достигает 3,5% и, что самое важное, он трудоемок и при существующих средствах анализа газов не поддается автоматизации.

Наиболее  простым и легко реализуемым, например, в судовых условиях является последний метод, основанный на определении  расхода воздуха по перепаду статических давлений во входном патрубке (конфузоре) компрессора, измеряемых в его входном и выходном сечениях (рисунок 4, а). Предполагается, что в конфузоре - установившееся течение с однородными свойствами вдоль потока в каждом поперечном сечении.

На основании  уравнения неразрывности расход воздуха через конфузор может  быть определен по выражению

 

(5)

 

где - постоянная, включающая коэффициент расхода, плотность воздуха и др., предварительно определяемая при эксперименте; - перепад статического давления в конфузоре, измеряемый с помощью установленных в конфузоре датчиков, дающих погрешность не более 1% (рисунок 4, а) [2, c. 177].

 

Рисунок 4 - Измерение  производительности компрессора

 

После подсчета его необходимо привести к стандартным внешним 
условиям:

 

, (6)

3.  
Регулировки, неисправности дизельных двигателей с турбонаддувом и способы их устранения

Опишем  данный аспект применительно к легковым автомобилям.

Осмотр двигателя на предмет  неисправностей, вызванных неправильной работой турбонагнетателя.

Тревожные признаки - плохая работа на холостом ходу, потеря мощности, или синевато-серый  или белый дым, выходящий из выхлопной трубы. Чрезмерный выход масляных паров из крышки клапанного механизма или системы вентиляции картера - также причина для беспокойства.