Турбонаддув

 

 

Рисунок 14.29. Турбокомпресор у розрізі

(кольором показано розподіл температур при роботі)

 

 

 

 

Рисунок 14.30. Вал турбокомпресора з осьовою турбіною (MAN B&W)

 

Турбокомпресори (патент Альфреда Бюхі (Швейцарія) 1905 року) (рис. 14.29)

складаються з турбіни і відцентрового компресора, що встановлені на загальному валу. Для

обертання турбіни використовується енергія відпрацьованих газів, які діють на її лопатки.

Турбіна може бути доцентровою (рис. 14.29) і осьовою (рис. 14.30). Обертання турбіни

приводить у дію компресор. Частота обертання досягає 200000 хв^-1.

Недоліком турбокомпресорів є їх повільна реакція на різкі прискорення – „провал” або

„турбояма”. Тому масу деталей намагаються зменшити до мінімуму.

Застосовують дві схеми підведення відпрацьованих газів до газової турбіни:

1. Від загального випускного трубопроводу. У цьому випадку тиск перед турбіною

практично постійний (рис. 14.31, а).

2. Від кожного циліндра чи групи циліндрів. У такому варіанті система наддуву

називається імпульсною (рис. 14.31, б). В імпульсних системах використовується кінетична

енергія відпрацьованих газів, завдяки чому збільшується крутний момент на низьких частотах,

однак погіршується очищення циліндрів двигуна, що є загальним недоліком усіх систем

газотурбінного наддуву.

В автотракторних дизелях при числі циліндрів 8 і більш переважно застосовуються

системи з постійним тиском перед турбіною. ККД таких турбін вище, ніж імпульсних, а система

випуску виходить більш простою. У турбінах з розділеним потоком (рис. 14.29), які мають два

зовнішніх канали, потоки газів теж розділюються у зоні турбіни.

 

Рисунок 14.31. Наддув з постійним тиском (а) та імпульсний (б)

 

 

Турбокомпресори мають забезпечувати високий крутний момент вже на малих обертах,

тому на високій частоті для запобігання перевантаження тиск треба регулювати. Для цього

використовують чотири способи:

 

- з регулюванням перепуску повітря. Його використовують рідко, в основному у

гоночних автомобілях. Тиск наддуву обмежують або заслінками перед чи після компресора, або

клапаном.

- з перепуском відпрацьованих газів (рис. 14.32). При цьому частина потоку

відпрацьованих газів через перепускний (байпасний) клапан (рис. 14.33) спрямовується у обхід

турбіни.

 

 

Рисунок 14.32. Турбокомпресор з

перепуском відпрацьованих газів

(схема та фотографія):

1 – перепускний клапан; 2 –

виконавчий механізм; 3 –

електропневматичний перетворювач

тиску наддуву; 4 – вакуумний насос

 

Рисунок 14.33. Перепускний (байпасний) клапан:

1 – мембрана; 2 – клапан; А – камера атмосферного тиску; Б – камера керівного тиску

 

- з дроселюванням турбіни (рис. 14.34). На малих частотах відкрито один підвідний

канал, при цьому завдяки малому перетину каналу збільшується швидкість газів і частота

обертання вала турбокомпресора. При збільшенні частоти відкривається керівна заслінка,

збільшуючи перетин каналу і тим самим зменшуючи частоту обертання вала і тиск наддуву.

 

 

Рисунок 14.34. Турбокомпресор з

дроселюванням турбіни: а – відкрито один

підвідний канал; б – відкрито два підвідних

канали;

1 – турбіна; 2, 3 – підвідні канали; 4 – керівна

заслінка; 5 – перепускний канал; 6 – тяга

керування заслінкою

 

Рисунок 14.35. Турбокомпресор зі змінною геометрією турбіни: принцип роботи (а) та

конструктивне виконання (б):

1 – турбіна; 2 – керівне кільце; 3 – рухомі напрямні лопатки соплового апарату; 4 –

керівний важіль; 5 – пневмоциліндр

 

- зі змінною геометрією турбіни (рис. 14.35). Рухомі напрямні лопатки соплового

апарату змінюють поперечний перетин каналів, через які гази рухаються на крильчатку турбіни.

При збільшенні частоти ДВЗ лопатки збільшують перетин. Поворот здійснюється керівним

кільцем за допомогою пневмоциліндра.

Багатоступеневий наддув (рис. 14.36). Дозволяє значно розширити діапазон потужності

ДВЗ за рахунок послідовного встановлення декількох (частіше за все двох – TwinTurbo)

турбокомпресорів. При цьому у залежності від режиму або потік газів проходить лише крізь

ступінь високого тиску, або частина потоку крізь перепускну магістраль йде у ступінь низького

тиску. Терміном TwinTurbo (BiTurbo) також позначують систему з двома паралельними

турбокомпресорами (у V-подібних ДВЗ).

 

Рисунок 14.36. Багатоступеневий наддув:

1 – ступінь низького тиску (турбокомпресор з охолодником повітря); 2 – ступінь високого

тиску (турбокомпресор з охолодником повітря); 3 – впускний колектор; 4 – випускний колектор;

5 – перепускний клапан; 6 – перепускна магістраль

 

 

Хвильові обмінники тиску (типу „Comprex”, розробка швейцарської фірми Asea-Brown-

Boweri) (рис. 14.37). Строго говорячи, це не компресор, хоча і використовує енергію

відпрацьованих газів. Діє він так. Циліндр (ротор), що розділений на поздовжні канали,

обертається навколо своєї осі, яка приводиться ременем від колінчастого вала. Торці циліндра

прикривають дві глухі кришки статора, у яких по два вікна – для повітря і відпрацьованих газів.

Цикл роботи наступний: після відкриття випускного клапана у циліндрі двигуна ударна хвиля

поширюється трубопроводом, проходить через вікно торцевої кришки і продовжує рух каналами

ротора, стискаючи повітря, що перебуває у них. Оскільки ротор обертається, у певний момент

відкривається вікно і повітря подається у трубопровід до циліндрів з підвищеним тиском. Вікно

відразу закривається, і потоку вихлопних газів нічого не залишається, як, відбившись від

торцевої кришки, направитися назад, назустріч вікну випуску, що відкривається. За відбитою

хвилею стиску йде хвиля розрідження, вона дозволяє до моменту видалення газів заповнити

канал свіжим повітрям, ежектувавши його через відповідне вікно.

 

 

 

Рисунок 14.37. Хвильовий обмінник тиску:

1 – впускний трубопровід; 2 – зубчастий ремінь; 3 – забір повітря; 4 – поршень ДВЗ; 5 –

випускний трубопровід; 6 – випуск відпрацьованих газів; 7 – ротор; 8 –щілинні вікна