Краткий исторический обзор развития наддува поршневых двигателей

Идея повышения плотности свежего заряда на впуске с помощью специальных устройств появилась сразу же после создания работоспособных моделей двигателей с предварительным сжатием заряда в цилиндре.

Первые попытки применения наддува на поршневых двигателях были неудачными. Так в 1885 году Готлиб Даймлер (Gottlieb Daimier, 1834-1900) получил патент на двигатель с наддувом, работающем на газе. Однако показатели его оказались ниже, чем у двигателей без наддува. В 1896 г. на заводах МАН (Германия) под руководством Рудольфа Дизеля (Rudolf Diesel, 1858-1913) были изготовлены опытные образцы двигателей с наддувом. Однако повышение их мощности также сопровождалось заметным снижением экономичности. Причина этого заключалась в низких показателях агрегатов наддува, повышения которых не обеспечивали существующие тогда технологии их изготовления.

Базовым образцом роторно-лопастных нагнетателей для механического наддува стал шиберный нагнетатель, запатентованный в 1911 году Арнольдом Цоллером в Швейцарии (Zoller –нагнетатель).

Схема использования турбины и компрессора, закрепленных на коленчатом валу, для наддува двигателя с принудительным воспламенением была запатентована 13.11.1905 г. швейцарским инженером Альфредом Бюхи (Alfred J. Buchi). В 1915 г. им же запатентована схема турбонаддува с газовой связью, а затем предложено охлаждение наддувочного воздуха. В 1911 г. выдан патент на применение турбокомпрессора (ТК) на стационарном дизеле французскому инженеру Рено. В 1917 г. француз А. Рато, а в 1918 г. американец С.А. Мосс применили турбонаддув на авиационном поршневом двигателе с принудительным воспламенением от искры.

Серийное производство турбокомпрессоров начато фирмой Brown Boveri в 1923 г. Широкое внедрение наддува на судовых дизелях началось в 1925 году.

Определяющую роль в развитии применения наддува на автомобильных и тракторных двигателях сыграл опыт его использования на двигателях спортивных машин. На карбюраторных двигателях наддув начал применяться примерно с 1940 года на автомобилях спортивного типа (фирмы Мерседес-Бенц, Люзенберг, Грехем, Обери, Мазерати и др.). На двигатели устанавливали приводные нагнетатели типа Рутс, а впоследствии центробежные компрессоры со сложной системой привода (большая разница в частотах вращения валов двигателя и компрессора).

В 1938 г. инженер Arbon построил быстроходный дизель с турбонаддувом для грузового автомобиля. Начало серийного производства автомобильных дизелей с турбонаддувом относят к 1954 году.

Пионерами среди легковых автомобилей, оснащённых двигателем с турбонаддувом, были Chevrolet Corvair Monza и Oldsmobile Jetfire, вышедшими на американский рынок в 1962 – 1963 годах. На них же сразу проявились основные недостатки турбонаддува в условиях эксплуатации. Главный из них – «турбояма». Первый серийный легковой автомобиль с дизелем, имеющим турбокомпрессор, и свободный от указанного недостатка выпущен фирмой Mersedes - Benz в 1978 г.

Успехи, достигнутые при турбонаддуве тихоходных дизелей относительно большой мощности, в частности, судовых, тепловозных и т.п., повышение качества применяемых материалов, развитие производства малоразмерных турбокомпрессоров, позволило перейти к наддуву автомобильных и тракторных дизелей. Уже в начале 60-х годов в США свыше одной трети автомобильных дизелей выпускалось с наддувом в основном для мощностей больших 180 кВт. Рост давления наддува обеспечил повышение среднего эффективного давления до 1,2 МПа, что соответствует примерно 100% повышению мощности по сравнению с безнаддувным вариантом. К настоящему времени турбонаддув получил наибольшее применение на двигателях автомобильных мощностью свыше 80 кВт, а тракторных – 55 кВт.

На бензиновых карбюраторных двигателях внедрение турбонаддува встретило значительные сложности, связанные с детонацией, количественным регулированием мощности, повышением шумности, снижением приемистости и другими проблемами. С переводом этих двигателей на впрыскивающую топливную аппаратуру интерес к турбонаддуву значительно возрос.

В отечественном двигателестроении под руководством А.А. Бессонова в 1926 г. был построен авиационный двигатель жидкостного охлаждения с центробежным нагнетателем V -12 (N_e = 610 л.с., n = 2250 мин^-1, V -образный, 12-ти цилиндровый).

В 1938 г. на двигателе АМ-34 применен газотурбинный наддув (первая ступень) совместно с центробежным нагнетателем (вторая ступень). Он был предложен проф. В.И. Дмитриевским. В это же время д.т.н. А.Д. Чаромским был спроектирован авиационный двигатель с газотурбинным наддувом.

Начало производства отечественных тепловозных двигателей с турбонаддувом относят к 1932 – 1935 г.г.

В настоящее время наддув как механический, так и газотурбинный, являются перспективным средством повышения эффективных и особенно экологических показателей двигателей (автомобильных, тракторных и другого назначения).

 

ГАЗОДИНАМИЧЕСКИЙ НАДДУВ

К газодинамическому наддуву относят способы повышения плотности заряда на впуске за счёт использования:

· кинетической энергии воздуха, движущегося относительно приемного устройства, в котором она при торможении потока преобразуется в потенциальную энергию давления – скоростной наддув;

· волновых процессов во впускных трубопроводах – Инерционный или динамический наддув.

В термодинамическом цикле двигателя без наддува начало процесса сжатия происходит при давлении p ₀, (равному атмосферному). В термодинамическом цикле поршневого двигателя с газодинамическим наддувом начало процесса сжатия происходит при давлении p_k, вследствие повышения давления рабочего тела вне цилиндра от p ₀ до p_k. Это связано с преобразованием кинетической энергии и энергии волновых процессов вне цилиндра в потенциальную энергию давления.

Одним из источников энергии для повышения давления в начале сжатия может быть энергия набегающего потока воздуха, что имеет место при движении самолета, автомобиля и др. средств. Соответственно наддув в этих случаях называют скоростным.

Скоростной наддув основан на аэродинамических закономерностях преобразования скоростного напора потока воздуха в статическое давление. Конструктивно он реализуется в виде диффузорного воздухозаборного патрубка, направленного навстречу потоку воздуха при движении транспортного средства. Теоретически повышение давления Δ p_k = p_k - p ₀ зависит от скорости c _н и плотности ρ₀ набегающего (двигающегося) потока воздуха

                                                         (2.1)

Скоростной наддув находит применение в основном на самолетах с поршневыми двигателями и спортивных автомобилях, где скорости движения больше 200 км/ч (56 м/с).

Следующие разновидности газодинамического наддува двигателей основаны на использовании инерционных и волновых процессов во впускной системе двигателя.

Инерционный или динамический наддув имеет место при относительно большой скорости движения свежего заряда в трубопроводе c _тр. В этом случае уравнение (2.1) принимает вид

,                                          (2.2)

где ξ_т – коэффициент, учитывающий сопротивления движению газа по длине и местные.

Реальная скорость c _тр  потока газа во впускных трубопроводах, во избежание повышенных аэродинамических потери и ухудшения наполнения цилиндров свежим зарядом, не должна превышать 30…50 м/с.

Периодичность процессов в цилиндрах поршневых двигателей является причиной колебательных динамических явлений в газовоздушных трактах. Эти явления могут быть использованы для существенного улучшения основных показателей двигателей (литровой мощности и экономичности.

Инерционные процессы всегда сопровождаются волновыми процессами (колебаниями давления), возникающими в результате периодического открытия и закрытия впускных клапанов системы газообмена, а также возвратно-поступательного движения поршней.

На начальном этапе впуска во впускном патрубке перед клапаном создается разрежение, и соответствующая волна разрежения, достигая противоположного конца индивидуального впускного трубопровода, отражается волной сжатия. Путем подбора длины и проходного сечения индивидуального трубопровода можно добиться прихода этой волны к цилиндру в наиболее благоприятный момент перед закрытием клапана, что позволит существенно увеличить коэффициент наполнения , а следовательно, крутящий момент M_e двигателя.

На рис. 2.1. приведена схема настроенной впускной системы. Через впускной трубопровод, минуя дроссельную заслонку, воздух поступает в приемный ресивер, а из него– впускные трубопроводы настроенной длины к каждому из четырех цилиндров.

На практике это явление использовано в зарубежных двигателях  (рис. 2.2), а также отечественных двигателях для легковых автомобилей с настроенными индивидуальными впускными трубопроводами (например, двигатели ЗМЗ), а также на дизеле 2Ч8,5/11 стационарного электрогенератора, имеющего один настроенный трубопровод на два цилиндра.

Рис. 2.1. Схема настроенной впускной системы поршневого двигателя	Рис.2.2. Четырехцилиндровый рядный двигатель автомобиля Форд (объем цилиндров Vh = 1,6 л, настроенные впускные трубопроводы фиксированной длины)

Наибольшая эффективность газодинамического наддува имеет место при длинных индивидуальных трубопроводах. Давление наддува зависит от согласования частоты вращения двигателя n, длины трубопровода L _тр и угла

запаздывания закрытия впускного клапана (органа) φ _a. Эти параметры связаны зависимостью

,                                                                   (2.3)

где – местная скорость звука; k =1,4 – показатель адиабаты; R = 0,287 кДж/(кг∙град.); T – средняя температура газа за период наддува.

Волновые и инерционные процессы могут обеспечивать заметное увеличение заряда в цилиндр при больших открытиях клапана или в виде повышения дозарядки в такте сжатия. Реализация эффективного газодинамического наддува возможна только для узкого диапазона частоты вращения двигателя. Сочетание фаз газораспределения и длины впускного трубопровода должно обеспечивать наибольший коэффициент наполнения. Такой подбор параметров называют настройкой впускной системы. Она позволяет увеличить мощность двигателя на 25…30%. Для сохранения эффективности газодинамического наддува в более широком диапазоне частот вращения коленчатого вала могут быть использованы различные способы, в частности:

· применение трубопровода с изменяемой длиной l _тр (например, телескопического);

· переключение с короткого трубопровода на длинный;

· автоматическое регулирование фаз газораспределения и др.

Однако применение газодинамического наддува для форсирования двигателя связано с определенными проблемами. Во-первых, не всегда имеется возможность рационально скомпоновать достаточно протяженные настроенные впускные трубопроводы. Особенно это трудно сделать для низкооборотных двигателей, поскольку с уменьшением частоты вращения длина настроенных трубопроводов увеличивается. Во-вторых, фиксированная геометрия трубопроводов дает динамическую настройку лишь в некотором, вполне определенном диапазоне скоростного режима работы.

Для обеспечения эффекта в широком диапазоне применяют плавную или ступенчатую регулировку длины настроенного тракта при переходе с одного скоростного режима на другой. Ступенчатое регулирование с помощью специальных клапанов или поворотных заслонок считается более надежным и успешно применяется в автомобильных двигателях многих зарубежных фирм. Чаще всего используют регулирование с переключением на две настроенные длины трубопровода (рис. 2.3).

Рис.2.3. Система ступенчатого регулирования длины настроенного тракта V -образного шестицилиндрового двигателя: а – при низкой частоте вращения; б – при высокой частоте

В положении закрытой заслонки соответствующему режиму до 4000 мин^-1, подача воздуха из впускного ресивера системы осуществляется по длинному пути (см. рис. 2.3). В результате (по сравнению с базовым вариантом двигателя без газодинамического наддува) улучшается протекание кривой крутящего момента по внешней скоростной характеристике (на некоторых частотах от 2500 до 3500 мин^-1  крутящий момент возрастает в среднем на 10…12 %). С повышением частоты вращения n > 4000 мин^-1 подача переключается на короткий путь и это позволяет увеличить мощность N_e на номинальном режиме на 10 %.

Существуют и более сложные всережимные системы. Например, конструкции с трубопроводами, охватывающими цилиндрический ресивер с поворотным барабаном, имеющим окна для сообщения с трубопроводами (рис. 2.4). При повороте цилиндрического ресивера 1 против хода часовой стрелки длина трубопровода увеличивается и наоборот, при повороте по часовой стрелке – уменьшается. Однако реализация этих способов значительно усложняет конструкцию двигателя и снижает его надежность.

В многоцилиндровых двигателях с обычными трубопроводами эффективность газодинамического наддува снижается, что обусловлено взаимным влиянием процессов впуска в различные цилиндры. На автомобильных двигателях впускные системы «настраивают» обычно на режим максимального крутящего момента для повышения его запаса.

Эффект газодинамического наддува можно также получить соответствующей «настройкой» выпускной системы. Этот способ находит применение на двухтактных двигателях.

Для определения длины L _тр и внутреннего диаметра d (или проходного сечения) настраиваемого трубопровода необходимо проводить расчеты с использованием численных методов газовой динамики, описывающих нестационарное течение, совместно с расчетом рабочего процесса в цилиндре. Критерием при этом является прирост мощности,

Рис. 2.4. Схема трубопроводов, охватывающих цилиндрический ресивер с поворотным барабаном при плавном регулировании длины настроенных индивидуальных трубопроводов: 1 – цилиндрический ресивер; 2 – впускной трубопровод

крутящего момента или снижение удельного расхода топлива. Эти расчеты весьма сложны. Более простые методы определения L _тр и d основаны на результатах экспериментальных исследований.

В результате обработки большого числа экспериментальных данных для выбора внутреннего диаметра d настраиваемого трубопровода предлагается следующая зависимость:

                             (2.4)

где (μ F _щ)_max – наибольшее значение эффективной площади проходного сечения щели впускного клапана. Длина L _тр настраиваемого трубопровода может быть определена по формуле:

                            (2.5)

Заметим, что применение разветвленных настроенных систем типа общая труба – ресивер - индивидуальные трубы оказалось весьма эффективным в сочетании с турбонаддувом.