Полезные статьи, Статьи и полезная информация (update 09.07.07) Опции

[Koya]

Турбокомпрессоры и нагнетатели для ДВС

Системы наддува, сжимающие воздух, подаваемый в камеру сгорания двигателя, и увеличивающие массу этого воздуха, позволяют повысить мощность двигателя при данных рабочем объеме и частоте вращения коленчатого вала.

Для двигателей внутреннего сгорания применяются компрессоры (нагнетатели) трех видов: нагнетатели с механическим приводом, турбокомпрессоры, приводимые в действие отработавшими газами, и нагнетатели, использующие волну сжатия газов.
Нагнетатели с механическим приводом сжимают воздух, используя мощность, снимаемую с коленчатого вала двигателя (механическая муфта соединяет двигатель и нагнетатель), в то время как турбокомпрессор приводится в действие отработавшими газами.
Хотя нагнетатель, использующий для своей работы волну сжатия газов, также использует отработавшие газы, он требует вспомогательного механического привода (комбинация механической и гидравлической муфт).

Нагнетатели с механическим приводом
Применяются два вида таких нагнетателей: центробежные и с принудительным приводом рабочих элементов (объемные).

Центробежный нагнетатель во многом подобен турбокомпрессору, приводимому в действие отработавшими газами. Он, очень эффективен и позволяет получать лучшее соотношение между размерами устройства и его производительностью. Однако для создания необходимого давления требуются большие окружные скорости. Так как ведомый шкив привода относительно ведущего шкива вращается с недостаточной скоростью (передаточное отношение 2:1), то для получения необходимой окружной скорости следует использовать одноступенчатую планетарную передачу с передаточным отношением 15:1. Кроме того, в схему нагнетателя должен быть включен блок трансмиссии для изменения частоты вращения, если требуется поддержание давления на приемлемом постоянном уровне в широком диапазоне значений объемного расхода. Необходимость использования предельных частот вращения и других параметров, связанных с передачей мощности в приводе, означает, что область возможного применения центробежных нагнетателей ограничена дизелями среднего и большого рабочих объемов и бензиновыми двигателями для легковых автомобилей.
 1.jpg ( 58.9 килобайт ) Кол-во скачиваний: 316
Центробежный нагнетатель с механическим приводом
Объемные нагнетатели с внутренним сжатием содержат поршень, движущийся возвратно-поступательно, винт, ротор и компрессор с подвижными лопатками. Пример нагнетателя без внутреннего сжатия воздуха - нагнетатель типа Roots. Характеристики такого нагнетателя приведены на графике.
Зависимость отношения давлений p2/p1 от объемного расхода V указывает, согласно графику, на то, что увеличение этого отношения сопровождается только незначительным уменьшением объемного расхода воздуха V. Падение объемного расхода в основном зависит от эффективности уплотнения зазора (потери на утечки) и является функцией отношения p2/p1 и времени, но не зависит от частоты вращения вала компрессора.
Отношение давлений p2/p1 не зависит от частоты вращения. То есть высокие значения этого отношения могут быть получены и при низких объемных расходах.
Объемный и массовый расходы не зависят от соотношения давлений и, в первом приближении, прямо пропорциональны частоте вращения.
Производительность нагнетателя остается неизменной во всем его рабочем диапазоне. Объемный нагнетатель .работает на всех точках кривой p2/p1-V.
В нагнетателе типа Roots два симметричных ротора вращаются в корпусе без непосредственного контактирования между собой или с корпусом; размер периферийного зазора определяется конструкцией корпуса, используемым материалом и производственными допусками: Внешняя шестеренчатая передача синхронизирует вращение роторов.
 2.jpg ( 59.19 килобайт ) Кол-во скачиваний: 185
Нагнетатель типа Roots
Нагнетатель со скользящими лопатками имеет эксцентрично установленный ротор, воздействующий на три смонтированные по центру скользящие лопатки, которые обеспечивают сжатие воздуха. Давление сжатия при данной степени эксцентриситета ротора регулируется изменением положения кромки выходного окна А в корпусе нагнетателя.
 3.jpg ( 27.35 килобайт ) Кол-во скачиваний: 152
Нагнетатель со скользящими лопатками
В нагнетателе спирального типа применяется эксцентрично установленный вытесняющий элемент, который при вращении приводного вала получает колебательное движение. При этом последовательно осуществляются следующие операции: рабочие камеры открываются, и в них поступает воздух; отсекается подача воздуха; рабочие камеры открываются снова для выпуска сжатого воздуха через центральное окно.
Вытесняющий элемент нагнетателя, приводимый от ременной передачи, смазывается консистентной смазкой, а приводной вал – моторным маслом от системы смазки двигателя. Радиальное уплотнение - щелевое, а осевое уплотнение обеспечивается поперечными герметизирующими канавками.
 4.jpg ( 36.71 килобайт ) Кол-во скачиваний: 157
Нагнетатель спирального типа
Роторно-поршневой нагнетатель содержит ротор в виде поршня, перемещающийся относительно внутренней оси. Внутренний ротор приводится во вращение по эксцентриковой траектории в цилиндре, где размещаются наружные роторы. Передаточные отношения вращения ротора-поршня и наружных роторов составляют 2:3 или 3:4. Роторы вращаются вокруг своих фиксированных осей без контактирования между собой или с корпусом. Вращение ротора-поршня по эксцентриковой траектории позволяет нагнетателю сжимать максимально возможный объем воздуха (камера I) и выпускать его (камера III). Степень сжатия определяется положением кромки А выпускного окна.
Для синхронизации движения внутреннего ротора-поршня и наружных роторов используется шестеренчатая передача с внутренним зацеплением. Для смазки шестерен и роликовых подшипников применяется консистентная смазка. Поршневые кольца служат в качестве уплотнения между рабочей камерой и корпусом шестеренчатой передачи.
Нагнетатели в ДВС обычно приводятся посредством ременной передачи (зубчатым или клиновым ремнем; используется непосредственное соединение или через муфту). Ускоряющая передача может быть включена постоянно или может обеспечивать изменение передаточного отношения в зависимости от частоты вращения коленчатого вала двигателя.
Нагнетатели с принудительным приводом рабочих элементов и с механическим приводом для получения одинакового количества сжатого воздуха имеют значительно большие размеры, чем центробежные нагнетатели. Они используются на двигателях с небольшими средним рабочими объемами, где можно достичь приемлемого соотношения между объемом заряда и располагаемым под капотом пространством.
 5.jpg ( 35.64 килобайт ) Кол-во скачиваний: 134
Роторо-поршневой нагнетатель
Турбокомпрессоры
Турбокомпрессоры состоят из турбины и колеса центробежного нагнетателя (компрессора), установленных на общем валу. Для вращения турбины используется энергия отработавших газов, воздействующих на ее лопатки. Вращение турбины приводит в действие компрессор, который, в свою очередь, засасывает окружающий воздух, сжимает его и подает в цилиндры двигателя. Частота вращения ротора турбокомпрессора не зависит от частоты вращения коленчатого вала двигателя, но она в значительной степени определяется балансом энергии, получаемой турбиной и отдаваемой компрессору.
На рабочих характеристиках двигателей с турбокомпрессором, показанных на графике имеется строго очерченная граница между зонами устойчивой и неустойчивой работы. При правильном подборе турбокомпрессора все точки на графике, соответствующие возможным условиям работы, лежат или на рабочих кривых двигателя (полная нагрузка) либо ниже их (работа в . режиме неполной нагрузки).
Различные области применения турбокомпрессоров требуют применения различных вариантов их конструкций. Однако практически все турбокомпрессоры имеют одни и те же элементы: ротор в сборе, который в сочетании с корпусом подшипника образует так называемый сердечник, а также кожух компрессора.
 6.jpg ( 33.19 килобайт ) Кол-во скачиваний: 139
Регулирование давления наддува посредством переустановки перепускного клапана
 7.jpg ( 59.2 килобайт ) Кол-во скачиваний: 143
Турбокомпрессор , приводимый в действие отработавшими газами
Уплотнительные кольца, устанавливаемые со стороны входа и выхода, служат для герметизации масляной камеры, расположенной вне корпуса подшипника. В особых случаях качество уплотнения может быть улучшено установкой воздухоуловителя или торцевого уплотнения с графитовыми прижимными эле¬ментами (со стороны компрессора). В основном применяются подшипники скольжения, которые установлены радиально и имеют двойные гладкие вкладыши плавающего типа или неподвижные гладкие вкладыши, в то время как для обеспечения осевой опоры используются вкладыши с клинообразной поверхностью. Подшипники турбокомпрессора смазываются моторным маслом системы смазки двигателя. Корпус подшипника не имеет дополнительных охлаждающих устройств. Поддержание температур ниже критических значений осуществляет ся применением теплового экрана и теплоизоляцией корпуса подшипника.

Жидкостное охлаждение корпусов подшипников при меняется в том случае, если температура отработавших газов превышает 850°С.

Кожух компрессора обычно изготавливается методом литья из алюминия. В кожух может быть вмонтирован ся применением теплового экрана и теплоизоляцией корпуса подшипника.
 8.jpg ( 41.04 килобайт ) Кол-во скачиваний: 103
График сжатия воздуха в турбокомпрессоре
 9.jpg ( 49.89 килобайт ) Кол-во скачиваний: 125
Турбина с изменяемой геометрией
Для изготовления кожухов турбин используются сплавы сортов от GGG 40 до NiResist Д5 (в зависимости от температуры отработавших газов). Турбокомпрессоры, используемые на двигателях грузовых автомобилей, содержат кожух турбины, в котором два газовых потока объединяются непосредственно перед попаданием на лопатки турбины. Эта конструкция кожуха применяется при организации получения импульсного наддува, когда давление отработавших газов дополняется их кинетической энергией.
При работе турбокомпрессора с постоянным давлением на турбину поступает только энергия отработавших газов и поэтому может быть применена турбина, кожух которой имеет окно для впуска отработавших газов. Такая конструкция особенно распространена на судовых двигателях при использовании турбин с жидкостным охлаждением. Турбокомпрессоры мощных двигателей часто имеют перед турбиной кольцевое сопло. Такое сопло обеспечивает получение равномерного и неразрывного потока газа, поступающего на лопатки турбины с одновременной возможностью проведения тонкой регулировки расхода газа.
Турбокомпрессоры этого типа, устанавливаемые на легковых автомобилях, обычно имеют однопоточные кожухи турбин. Если двигатель такого автомобиля работает в широком диапазоне частот вращения, то необходимы механизмы управления турбокомпрессором, поддерживающие давление наддува на относительно постоянном уровне во всем рабочем диапазоне. Обычно направляют часть отработавших газов от двигателя в обход турбины компрессора посредством управляющего механизма, выполненного в виде перепускного клапана или заслонки.
Такой механизм имеет пневматический привод.
Энергия отработавших газов может быть использована более эффективно при применении управляющих систем, например, турбины с изменяемой геометрией лопаток.

Такие конструкции получили наибольшее признание, т. к. они сочетают в себе широкий диапазон управляющих функций и высокий К.п.д.
Установку угла расположения лопаток осуществляет поворотное регулировочное кольцо. Лопатки могут поворачиваться на требуемый угол специальными кулачками или рычагами. Пневматические исполнительные устройства могут работать как от источника отрицательного (вакуум), так и положительного давления. Микроэлектронная система управления обеспечивает оптимальное давление наддува на всем рабочем диапазоне ДВС.

Нагнетатели, приводимые волновым давлением газа

Нагнетатели этого типа используют для своей работы волны давления для передачи энергии отработавших газов к воздуху на впуске. Этот энергообмен имеет место внутри секций ротора (колесо секционного типа). Ротор приводится от двигателя посредством ременной передачи для синхронизации и поддержания процесса энергообмена.

Внутри ротора процесс энергообмена происходит при скоростях, равных скорости звука. Он зависит от температуры отработавших газов и крутящего момента двигателя, но не зависит от частоты вращения коленчатого вала. Процесс эффективен только на одном рабочем режиме при условии, что между двигателем и нагнетателем установлена ускоряющая передача с постоянным передаточным отношением. Для устранения этого недостатка в передней части кожухов размещают специальные «карманы», позволяющие получить высокую производительность нагнетателя и оптимальную кривую наддува в относительно широком диапазоне рабочих режимов.
Обмен энергией между газами и воздухом внутри ротора обеспечивает быстрое реагирование такого нагнетателя на изменения потребности двигателя в количестве надувочного воздуха.

В нагнетателе, приводимом в действие за счет волны давления газов, ротор связан с коленчатым валом двигателя посредством ременной передачи. Для снижения шума стенки секций ротора располагаются по его окружности неравномерно. Ротор вращается внутри цилиндрического кожуха, а магистрали для подачи наружного воздуха и отработавших газов от двигателя располагаются у соответствующих торцов кожуха. К одному торцу кожуха подводится под небольшим давлением атмосферный воздух и отводится под большим давлением надувочный воздух, а к другому торцу подводятся отработавшие газы от двигателя под большим давлением и отводятся эти же газы, но уже преобразопреобразовавшие свою энергию в давление воздуха в секциях ротора.

Диаграммы расхода газа и его состояния иллюстрируют процесс, происходящий в нагнетателе Comprex при полной нагрузке и средней частоте вращения коленчатого вала. Путем развертывания проекции ротора и кожуха на плоскость можно представить вращательное движение ротора в виде поступательного. Диаграмма состояния содержит пограничные кривые для всех 4-х окон в кожухе ротора в соответствии с местом их расположения.
Ротор в нагнетателе имеет постоянную смазку, а подшипник ротора расположен со стороны подвода и отвода воздуха. Кожух для воздуха изготовлен из алюминия, а кожух для газа - из материала NiResist. Интегральный управляющий механизм позволяет регулировать давление наддува в соответствии с потребностями.
 10.jpg ( 59.8 килобайт ) Кол-во скачиваний: 153
Нагнетатель, использующий волновое давление газов
 11.jpg ( 79.72 килобайт ) Кол-во скачиваний: 120
Диаграмма расхода газа и диаграмма состояния нагнетателя , приводимого в действие за счет волны давления газа


Статью нашел на винте, откуда взята не помню.