Министерство образования и науки Российской Федерации
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение
Высшего образования
«Владимирский государственный университет имени
Александра Григорьевича и Николая Григорьевича Столетовых»
(ВлГУ)
Институтиновационных технологий
Факультет Автотранспортный
Кафедра Тепловые двигатели и энергетические установки
А.А. Гаврилов
АГРЕГАТЫ НАДДУВА
Курс лекций
по дисциплине «Агрегаты наддува» для студентов ВлГУ,
Обучающихся по направлению 13.03.03 - Энергомашиностроение
(бакалавртат)
Владимир – 2016 г.
ОГЛАВЛЕНИЕ
Введение
1. Повышение литровой мощности поршневых двигателей ……………………..4
1.1 Способы повышения литровой мощности двигателя (лекция 1), 1 час……….4.
1.2. Виды наддува. Основные понятия и параметры (лекция 2) 1 час ………..........6
2. Без агрегатный. Инерционно-волновой наддув (лекция 3) 1 час ………………..9.
3. Приводной (механический) наддув (лекции 4-6) 3 часа…………………………14.
4. Наддув волновыми обменниками давления (лекция 7) 1 час……………………32.
5. Газотурбинный наддув (лекции 8-9) 2 часа ………………………………………35.
6. Центробежные компрессоры (лекции 10-11) 2 часа ……………………………..49.
7. Турбины агрегатов наддува (лекции 12-13) 2 часа ………………………………79
8. Совместная работа турбины, компрессора и поршневого
двигателя (лекция 14) 1 час …………………………………………………….......95
9. Охлаждение воздуха после компрессора (лекция 15) 1 час ……………………102
10. Регулирование наддува (лекции 16-17) 2 часа …………………………………108.
11. Перспективы наддува (лекция 18) 1 час ………………………………………..130
Список использованных источников ………………………………………. 130
ВВЕДЕНИЕ
Получение знаний по наддуву поршневых двигателей является важным этапом в подготовке специалистов по направлению «Энергомашиностроение». В дисциплине «Агрегаты наддува» изучаются основы теории наддува, устройство и процессы, происходящие в агрегатах наддува различного типа: объёмных, лопастных, волновых обменниках давления. Значительное внимание уделено конструкция и расчету компрессоров и турбин в составе турбокомпрессора, с учетом специфических условий их работы совместно с поршневым двигателем. Рассмотрены методы регулирования наддува.
Курс базируется на знаниях, полученных студентами при изучении общеобразовательных, общеинженерных и специальных дисциплин: гидравлики, газодинамики, термодинамики, теоретической механики, детали машин, теория рабочих процессов в двигателях внутреннего сгорания (ДВС) и др.
Наддув или процесс повышения плотности свежего заряда на впуске, т.е. перед поступлением его в цилиндры двигателя, является одним из наиболее эффективных путей улучшения показателей поршневых двигателей (мощности, экономичности, удельной массы, компактности и др.), а также снижения содержания в отработавших газах вредных веществ. На В настоящее время налажено серийное производство турбокомпрессоров малой размерности, что позволяет применять турбонаддув на двигателях с рабочим объемом до 0,5 дм3. Газотурбинный наддув начал всё больше применяться на двигателях с искровым зажиганием с распределённым или непосредственным впрыском бензина.
Совершенствование агрегатов наддува, систем охлаждения наддувочного воздуха и автоматического регулирования – является важным направлением повышения показателей двигателей с наддувом.
Лекционный курс составляет 18 часов. По дисциплине также предусмотрено 18 часов практических и 18 часов лабораторных занятий, курсовой проект и экзамен. Предполагается 54 часа на самостоятельное изучение курса.
В работе над конспектом принимали участие А.Ю. Абаляев, А.Н. Гоц, М.С. Игнатов, В.М. Лазарев. Автор благодарит Н.А. Шарапова, С.П. Сухова за помощь в оформлении иллюстраций.
ПОВЫШЕНИЕ ЛИТРОВОЙ МОЩНОСТИ ПОРШНЕВЫХ
ДВИГАТЕЛЕЙ
Способы повышения литровой мощности двигателей
Форсированием двигателя обычно называют повышение его эффективной литровой мощности 
, кВт/л на номинальном режиме. Основные способы форсирования вытекают из уравнения:
(1.1)
где pe – среднее индикаторное давление; nd – частота вращения коленчатого вала, мин-1; τ d – тактность двигателя.
Из анализа выражения (1.1) следует, что литровая мощность Nev может быть повышена в общем случае за счет:
· повышения удельной эффективной работы цикла, т.е повышения среднего эффективного давления pe;
· увеличения частоты вращения коленчатого вала двигателя на номинальном режиме 
, мин-1;
· перехода с четырехтактного (
= 4) на двухтактный ( = 2) цикл.
Следует иметь в виду, что пропорционального изменения литровой мощности при изменении каждого из показателей, входящих в уравнение (1.1) не происходит, так как они взаимосвязаны. Например, на значение среднего эффективного давления оказывают влияние не только тактность, но и частота вращения коленчатого вала двигателя.
Осуществление двухтактного цикла при прочих равных параметрах позволяет увеличить литровую мощность в 1,5…1,7 раза по сравнению с четырехтактным циклом. Однако при переходе на двухтактный цикл возникает ряд проблем. Основными из них являются:
· ухудшение качества протекания процесса газообмена;
· повышение тепловых и механических нагрузок на детали двигателя;
· увеличение содержания вредных веществ в отработавших газах.
Вследствие сложности решения этих проблем на автомобильном транспорте и тракторах двухтактные двигатели применяются редко.
Повышение частоты вращения коленчатого вала на номинальном режиме является сравнительно простым способом увеличения литровой мощности, так как позволяют сохранить массовые и габаритные показатели двигателя.
Главными факторами, ограничивающими предел форсирования двигателей этим способом, являются:
· заметное увеличение затрат мощности на преодоление трения;
· сокращение времени протекания цикла, что приводит к некоторому ухудшению качества процессов газообмена, смесеобразования и сгорания.
Применение электронных систем управления процессами газообмена и смесеобразования в сочетании с другими достижениями новых технологий позволили к настоящему времени надежно обеспечить частоты вращения на номинальном режиме бензиновых двигателей до 7800…8000 мин-1, а дизелей до 4500…5000 мин-1.
Пути повышения среднего эффективного давления pe (отношение эффективной работы на валу двигателя к единице рабочего объема двигателя) вытекают из анализа уравнения
, (1.2)
где Hu – низшая теплота сгорания топлива; 
– коэффициент избытка воздуха; L o – теоретически необходимое количество воздуха для сгорания топлива, кмоль возд./кг топл.; η i – индикаторный КПД; η v – коэффициент наполнения; 
м – механический КПД; 
– средняя за цикл плотность воздуха перед впускными органами (во впускном ресивере объёмом 
); 
– давление и температура воздуха на впуске; R μ – универсальная газовая постоянная, кДж/(кмоль К).
Из уравнения (1.2) следует, что наибольшее влияние на повышение удельной работы pe оказывает плотность воздуха . Принудительное увеличение плотности воздуха вне цилиндра обеспечивает его большее массовое наполнение. Это позволяет сжигать большее количество топлива и получать соответствующий прирост удельной работы и мощности. При этом необходимо учитывать, что повышение массы воздуха, поступившего в цилиндр, происходит не только из-за роста плотности , но и качества наполнения, характеризуемого коэффициентом наполнения 
. Это объясняется уменьшением относительных потерь давления во впускных органах. В итоге, повышение массы воздуха, поступившей в цилиндр, зависит от увеличения произведения 
.
При газотурбинном наддуве относительные затраты работы на насосные ходы снижаются и, следовательно, увеличивается механический КПД ηм, а при механическом наддуве он уменьшается, так как возрастают затраты мощности на привод вспомогательных агрегатов (на величину необходимую для привода нагнетателя).
Кроме того, для снижения теплонапряженности деталей и обеспечения полноты сгорания топлива в двигателях с наддувом коэффициент избытка воздуха имеет более высокие значения, чем у двигателей без наддува. Изменяется также протекание процессов смесеобразования и сгорания, что отражается на значении индикаторного КПД η i.
Таким образом конечный эффект от наддува, согласно уравнения (1.2), зависит от суммарного изменения параметров 
м.
Средняя величина плотности воздуха во впускном ресивере (на впуске) зависит от давления наддува (на выходе из нагнетателя) pk, температуры Tk, расходов через клапаны и компрессор 
в течение цикла, а также, как будет показано далее, от объёма ресивера, количества подсоединённых к нему цилиндров и порядка их работы. Повышение температуры воздуха при наддуве является негативным фактором, приводящим не только к меньшему росту плотности ρ k, но и к увеличению тепловой напряженности деталей цилиндро-поршневой группы двигателя. Для снижения Tk применяют охлаждение воздуха после агрегата наддува в специальных теплообменниках – охладителях наддувочного воздуха (ОНВ).
В зависимости от степени наддува принимаются следующие значения давления pk надувочного воздуха:
· при низком наддуве – 1,5 p 0;
· при среднем давлении – (1,5…2,3) p 0;
· при высоком наддуве – (2,2…2,5) p 0.
Степень повышения мощности при наддуве можно оценить по так называемой степени наддува 
π е = pe к / pe = Ne к / Ne,
где pe, Ne – среднее эффективное давление и мощность двигателя без наддува; peк, Neк – те же показатели двигателя с наддувом.
В настоящее время значения степени наддува находятся в диапазоне λ b = 1,5…2,0 и выше.
1.2. Виды наддува. В зависимости от способа, используемого для повышения плотности свежего заряда на впуске, различают следующие виды наддува:
а). Без агрегатный (газодинамический):
· скоростной и инерционно- волновой).
б). Агрегатный:
· механический (приводной);
· с помощью волнового обменника давления (система «Comprex»);
· газотурбинный (турбонаддув);
· комбинированный.
Для понимания сущности наддува широко используется анализ термодинамических циклов. Под идеальным термодинамическим циклом двигателя понимается цикл, в котором подвод и отвод теплоты к рабочему телу (идеальный газ с постоянной теплоемкостью) осуществляется по изохоре и изобаре, сжатие и расширение по адиабатам. Эти циклы в определенной мере могут быть использованы при исследовании действительных циклов.
