Исследовательская часть
Согласно техническому заданию на дипломный проект требовалось разработать двигатель с хорошими динамическими качествами. Проведенные исследования показали, что для повышения энергетических показателей двигателя могут быть использованы следующие мероприятия: повышение качества процесса сгорания и наддув двигателя.
В качестве первого пути увеличения выходной мощности можно выделить воздействие на рабочий процесс, т.е. повышение эффективного КПД двигателя. С этой целью стремятся обеспечить максимально быстрое и полное сгорание в цилиндре двигателя, уменьшают механические потери.
Повысить КПД двигателя можно, например, увеличением степени сжатия, работа на высокой степени сжатия повышает вероятность возникновения таких явлений как детонация и калильное зажигание.
Повысить КПД можно обеспечением оптимального соотношения топлива и воздуха в цилиндре двигателя. Это достигается точным дозированием топлива, например, при помощи электронного управления топливоподачей и распределенного впрыска топлива.
Повысить КПД можно уменьшением длины юбки поршня, количества и высоты колец; уменьшением количества приводимых от коленчатого вала агрегатов (кондиционер, гидроусилитель); уменьшением потерь на трение в двигателе (использование высококачественных масел, антифрикционных покрытий, уменьшением поверхности трения, профилирование пар трения); обеспечением быстрого прогрева двигателя и поддержанием оптимальной температуры при работе.
Немаловажное влияние на энергетические показатели двигателя оказывает качество наполнения цилиндров двигателя свежей смесью. С этой целью в настоящее время получили распространение такие мероприятия как: 4-х клапанное газораспределение, распределенный впрыск бензина во впускной трубопровод, переменные фазы газораспределения, впускной трубопровод переменной длины (газодинамический наддув), турбонаддув и механический наддув, оптимизируется форма камеры сгорания и впускного тракта.
Наддув
Один из наиболее эффективных путей повышения мощности двигателя это наддув. В этом случае в противоположность атмосферному впуску у двигателей с наддувом воздух подается в цилиндры под избыточным давлением. Этим увеличивается масса воздуха в цилиндре, что при большей массе топлива приводит к повышению выходной мощности двигателя при равном рабочем объеме. Наддув позволяет уменьшить массу и габариты двигателя, приходящиеся на единицу мощности.
В данной дипломной работе было решено разработать бензиновый двигатель (литровая мощность выше, чем у дизеля, так как он может работать на богатых смесях) и оснастить его наддувом.
Наддув двигателя воздухом осуществляется при помощи так называемых нагнетателей и позволяет повысить среднее эффективное давление (и, таким образом, крутящий момент).
В основном различают две разновидности нагнетателей:
• турбонагнетатель, в котором требуемая на сжатие воздуха мощность отбирается от ОГ (газодинамическая связь двигатель/нагнетатель);
• механический нагнетатель, в котором требуемая на сжатие воздуха мощность отбирается от коленчатого вала двигателя (механическая связь двигатель/нагнетатель).
Однако при наддуве бензиновых двигателей надо учитывать ограничения, связанные с возможностью возникновения аномальных процессов сгорания.
Детонация — очень быстрое сгорание топлива в точках, удаленных от свечи, сопровождается резким местным перегревом и перегрузкой деталей двигателя. Внешний признак детонации — стук.
Калильное зажигание — преждевременное (до появления искры) воспламенение смеси от перегретых деталей камеры сгорания (например, от электрода свечи). Длительная работа с детонацией и калильным зажиганием недопустима: двигатель быстро выйдет из строя.
Турбонаддув
Наддув воздуха турбонагнетателем, который приводится в действие отработавшими газами, находит наиболее широкое применение среди всех известных способов. Этот вариант даже на двигателях малого рабочего объема позволяет получить крутящий момент и мощность достаточной величины при высоком КПД. Турбонагнетатели используют на легковых и грузовых автомобилях, больших судовых двигателях и тепловозах.
Принцип работы турбонагнетателя следующий. Горячие ОГ поступают на турбину и раскручивают вал 11 до высокой частоты вращения, которая у дизелей достигает 200000 мин-1. Направленные лопатками турбинного колеса ОГ двигаются к оси турбины, откуда затем выходят через канал 8 во выпускной тракт (радиальная турбина). Вал приводит во вращение радиальный компрессор. Здесь противоположная картина: поток 3 подаваемого воздуха входит по оси компрессора, ускоряется лопатками при движении наружу и при этом превращается в поток 4 сжатого воздуха.
Двигатели должны развивать высокий крутящий момент уже при низкой частоте вращения коленчатого вала, поэтому турбонагнетатель конструируется из расчета небольшой скорости потока ОГ (например, полная нагрузка при частоте вращения n <= 1800 мин-1). Для того, чтобы при больших скоростях потока ОГ нагнетатель не перегружал двигатель и сам не выходил из строя, давление наддува необходимо регулировать. Для этого используются два конструктивных варианта:
• нагнетатель с перепуском ОГ;
• нагнетатель с изменяемой геометрией турбины;
Наилучшие результаты получаются при наддуве бензиновых двигателей с электронным управлением, включающим электронное регулирование наддува. Последнее, в частности, дает возможность включить в систему управления датчик детонации для снижения давления наддува или (и) уменьшения угла опережения зажигания при возникновении в двигателе детонации. Благодаря этому двигатель при наддуве может работать практически на пределе детонации. При отсутствии в системе управления такого датчика режим работы двигателя должен быть гарантированно отодвинут от границы детонации, а это требует снижения степени сжатия двигателя или использования бензина с более высоким октановым числом.
Использование трбонаддува получило наиболее широкое распространение, однако он имеет и определенные недостатки. Например, противодавление, которое создается вследствие появления напорных потоков от турбины, нагружает поршни двигателя, что означает термодинамические потери: поэтому поршень должен совершать повышенную толкательную работу, что приводит к увеличению нагрузок на кривошипный механизм
Один из недостатков турбонаддува это его недостаточная эффективность на низких частотах вращения коленчатого вала, вследствие малого расхода отработавших газов через турбинное колесо. Это вынуждает использовать турбокомпрессор с регулируемым сопловым аппаратом, возрастает его стоимость.
Механический наддув
При механическом наддуве нагнетатель приводится в действие непосредственно от коленчатого вала двигателя. Как правило, оба агрегата жестко связаны друг с другом, например через ременный привод.
Механические нагнетатели можно разделить на три группы:
а. Роторно-поршнввые нагнетатели
К ним относятся нагнетатели типа «Рут» и Ванкеля в форме лопастных компрессоров и их модификаций. Винтовой компрессор, можно также отнести к этой группе. Ее важнейшими представителями являются нагнетатели Лисхольм и Sprintex, причем последний является слегка укороченным вариантом Лисхольм.
б. Спиральные нагнетатели
К ним относятся VW-G-нагнетатель, а также родственные нагнетатели с простейшей геометрией.
в. Механический центробежный нагнетатель
К этой группе относят ZF Turmat и его последующие модификации, которые сегодня прежде всего являются существенным компонентом рынка дополнительных агрегатов.
Поскольку нагнетатель приводится непосредственно от двигателя, то при механическом наддуве повышение частоты вращения рабочего вала нагнетателя происходит одновременно с повышением частоты вращения коленчатого вала двигателя. Соответственно при динамичной езде механический нагнетатель обеспечивает больший крутящий момент и лучшую приемистость, чем турбонагнетатель. Используя в приводе нагнетателя вариатор, можно улучшить также приемистость двигателя на средних нагрузках.
Если отсутствует избыточная мощность (порядка 10... 15 кВт для легкового автомобиля), необходимая для привода нагнетателя, то побочным эффектом указанных преимуществ может стать повышенный расход топлива. Этот недостаток компенсируется наличием в приводе нагнетателя специальной муфты, позволяющей отключать его при малых нагрузках. Другим недостатком нагнетателя являются его сравнительно большие размеры.
В качестве резюме можно выделить следующие преимущества и недостатки механического наддува перед турбонаддувом:
Преимущества:
- простота конструкции;
- относительно не дорог;
- уже при низких и средних частотах вращения двигателя создают высокое давление наддува;
- не высокий уровень шума;
- отсутствие помпажа;
- имеют свою систему смазки (не происходит дополнительного подогрева и старения основного масла);
- надёжность;
- возможность регулирования наддува;
Недостатки:
- потери мощности на привод;
- ниже КПД по сравнению с турбинами (нагнетатели Рут);
- повышенные нагрузки на привод;
- больший вес по сравнению с турбинами;
- ниже степень повышения наддува πк – 1,0…2,2 (нагнетатели Рут)
После Второй мировой войны среди компрессоров наступило затишье, так как постоянное усовершенствование «атмосферных» двигателей все больше и больше оттесняло на задний план задачи повышения мощности компрессоров, так что за 30 лет подобные разработки почти полностью исчезли с конструкторских; чертежей. И только в конце 70-х и начале 80-х стало появляться некоторое оживление в сфере разработок механических нагнетателей. Многие производители воодушевленные примером «G-нагнетателя» от VW, также решили пойти тем же путём и стали разрабатывать собственные разнообразные варианты нагнетательных агрегатов. Многие из них оказывались однодневными бабочками, но уже через ночь их новые версии вновь появлялись на испытательных стендах и так же, как и их безуспешные предшественники, вскоре снова демонтировались. Сейчас для нас представляют интерес только те агрегаты, которые по конструкции и принципу действия продолжили линейку давно известных и традиционных типов нагнетателей, например, нагнетатель типа «Рут» или лопаточный компрессор, и которые были разработаны с твердым намерением их будущего серийного производства через несколько лет. До сегодняшнего дня, собственно, дожили лишь нагнетатель типа «Рут» и винтовой компрессор. Они пошли в серийное производство в качестве надежных компонентов двигателя на заводах различных производителей.
В то время как различные варианты лопастного компрессора (среди которых, например, «Rotocharger» фирмы Bendix) уже на стадиях их разработки так и не приводили к успешным результатам, другие нагнетатели, напротив, сразу ждал успех и они (G-нагнетатель, Comprex), добравшись до серийного использования, были востребованы рынком. А некоторые другие были выпущены серийно только ограниченным тиражом (ZF Turmat.) и для своего возрождения активно подвергались дальнейшей модернизации. И на то, почему у механических нагнетателей, несмотря на столь оживленное вокруг них движение, в то время было слишком мало шансов, имеется много объяснений: выяснилось, что в будущем пространства под капотом двигателя будет становиться все меньше и что целый ряд других дополнительных агрегатов, например, сервонасос или компрессор кондиционера потребуют дополнительного «жизненного» пространства. К тому же стало ясно, что с повышением осознания уровня комфортности водителя все больше будут волновать такие аспекты, как шумы и динамические свойства автомобиля, и что при интересе к улучшению баланса исхода все больше и больше будет проявляться тенденция к снижению веса. И глядя со всех этих позиций на механический нагнетатель, выясняется, что не так уж он и блистает, да еще с учетом хорошего примечания: как в прошлом, так и в настоящем механические нагнетатели всегда были больше и тяжелее по сравнению с непобедимыми в этом отношении турбонагнетателями.
В зависимости от типа механический нагнетатель может иметь вес от шести до двенадцати килограммов. Его производительность, не важно, о каком типе нагнетателя идет речь, тесно связана с принципом его функционирования, а именно, пропусканием воздушной массы через свое собственное замкнутое пространство. Таким образом, производительность определяется только размерами или длиной агрегата. Прекрасным примером этого факта является используемый Мерседес и Ягуар нагнетатель типа «Рут»: небольшой 2,3-литровый двигатель Мерседес оснащен нагнетателем, который по диаметру ротора и длине меньше, чем у 4,0-литрового крупного \/8-двигателя Ягуар. И, наконец, механически приводимый нагнетатель - в зависимости от версии - более или менее подвержен сильной эмиссии шумов.
Виды систем охлаждения наддувочного воздуха
Имеются три вида систем охлаждения наддувочного воздуха: система «воздух/воздух», система «воздух/вода» и комбинированная система. Наиболее распространенной системой для легковых автомобилей является «воздух/воздух». Здесь охладитель наддувочного воздуха охлаждается проходящим атмосферным воздухом. Во втором варианте, системе «воздух/вода», в качестве охлаждающей среды используется жидкость. Такая система раньше использовалась только в отдельных случаях в двигателях легковых автомобилей (например, Тоуота Сеlica Тurbo 4 WD, дебют в 1988) или в тюнинг-секторе. В 90-е годы такие системы устанавливались в шести- и восьмицилиндровых двигателях Ягуар с механическим наддувом, турбодвигателях Пежо 405 Т 16. И третьим вариантом, который используется сегодня только в гоночном спорте, является комбинированная система охлаждения наддувочного воздуха. Она не применяется в серийных двигателях, поскольку занимает много места и слишком дорогостояща.
В системе охлаждения «воздух/вода-воздух», которое также называется «охлаждение хладагентом», происходит непосредственное охлаждение водой охладителя наддувочного воздуха. Таким образом, здесь охлаждение выполняется не в два этапа, как в смешанной системе. Этот тип охлаждения, вновь используемый Ягуар, имеет то преимущество, что охладитель наддувочного воздуха, в противоположность системе «воздух/воздух», меньше по размеру и теоретически может быть размещен в любой точке моторного пространства.
Специально для двигателей с механическим наддувом можно к тому же добавить, что такая среда, как вода, функционирует в охладителе наддувочного воздуха как дополнительный глушитель колебаний при появлении пульсаций давления поступающего и сжатого воздуха. Недостатком таких видов охладителей является тот факт, что воздух может быть охлажден в лучшем случае до уровня температуры хладагента радиатора автомобиля, поскольку система охлаждения наддувочного воздуха не имеет собственного радиатора жидкостного охлаждения (шести и восьмицилиндровые двигатели Ягуар), что опять бы привело к необходимости найти для него место под капотом. Недостаток системы «вода/воздух» заключается в том, что она слишком дорога, конструктивно затратна и прежде всего не столь эффективна по сравнению с системой «воздух/воздух». Причина: в охладителях наддувочного воздуха с водяным охлаждением происходит двукратный спад тепла, один раз от наддувочного воздуха к воде, и второй раз от воды вновь к атмосферному воздуху, который должен быть холоднее воды. Если установить внешний водяной радиатор для охладителя наддувочного воздуха, то это - в зависимости от ситуации использования - может привести к неприятностям в отношении веса и компоновки. Акцент здесь делается однозначно на слово «может». Поскольку, как всегда показывает практика, все зависит часто от соответствующего автомобиля. Наглядным примером может служить Ягуар со своими механически наддуваемыми шести- и восьмицилиндровыми двигателями. И особенно новый \/8 Supercharger в отношении компоновки разрешил эту трудную задачку. Ягуар сознательно разместил в царивших в моторном пространстве ХJS стесненных условиях систему водяного охлаждения, причем в сотрудничестве с производителем охладителей наддувочного воздуха Вehr из Штутгарта возник особенно удачный дизайн, который объединил оба охлаждаемых водой охладителя наддувочного воздуха и воздушный коллектор обеих головок цилиндров. Это позволило минимизировать пути, по которым охлажденный воздух должен подаваться в камеру сгорания, и к тому же повысило эффективность охлаждения. Охлаждение «воздух/воздух» в этой ситуации было бы совершенно немыслимо. Охлаждение «вода/воздух» имело здесь и преимущества в компоновке, так как водяные трубопроводы от жидкостного охладителя до охладителя наддувочного воздуха могли быть тонкими шлангами (примерно 30 мм), в противоположность напорным трубопроводам, по которым при охлаждении «воздух/воздух» должен перемещаться сжатый и охлажденный воздух через моторное пространство (около 80 мм).
В настоящее время наибольшее распространение получили нагнетатели типа «ROOT» и «LYSHOLM». Поэтому наиболее подробному анализу были подвергнуты именно эти два нагнетателя.
ROOT Supercharger
Наиболее простым и относительно дешёвым является нагнетатель типа «Рутс», имеющий 2 ротора. В корпусе овальной формы вращаются в противоположные стороны два ротора, имеющие специальный профиль. Роторы насажены на оси, связанные одинаковыми шестернями. Между самими роторами и корпусом поддерживается небольшой зазор. При вращении роторов, воздух захватывается лопастями компрессора, перемещается к стороне нагнетания, и сжимается уже в нагнетательном трубопроводе.
Основное отличие этого метода нагнетания в том, что воздух сжимается не внутри, а как бы снаружи компрессора, непосредственно в нагнетательном трубопроводе. Именно поэтому их иногда называют компрессорами с внешним сжатием. Воздух как бы зачерпывается кулачками (попадая в пространство между роторами и корпусом) и выжимается в нагнетательный трубопровод.
При выбрасывании сжатого воздуха из полости нагнетателя наблюдается сильное вихреобразование, на которое тратится значительная часть работы. Кроме того, значительные потери работы связаны с утечками сжатого воздуха через зазоры обратно во всасывающую полость. Всё это приводит к сильному падению КПД нагнетателя (особенно при увеличении давления наддува свыше 0,14-0,15 МПа)
Нагнетатели типа ROOT имеют рабочую частоту вращения обычно 6–9 тыс. оборотов в минуту, но она может доходить до 16 тыс. об./мин.
LYSHOLM Supercharger
Нагнетатель типа «Лисхольм» имеет 2 винтовых (спиральных) ротора, которые выполнены таким образом, что при их вращении возникают замкнутые объёмы, которые уменьшаются от периферии к центру, что позволяет осуществлять внутренне сжатие (в отличии от «Рутс»), благодаря чему можно увеличить степень повышения давления до 7 при наличии охлаждения корпуса.
Роторы имеют вид зубчатых колёс, причём ведущий ротор имеет 4 зуба, а ведомый 6 выемок, профиль которых соответствует профилю зубьев ведущего ротора. Окружные скорости роторов на наружном диаметре достигают 50-100м/с. Порция воздуха проталкивается вперед (как мясо вдоль шнека мясорубки). Роторы имеют между собой чрезвычайно малые зазоры. Это обеспечивает высокую эффективность и довольно малые потери. Основное отличие винтового компрессора от объемных роторно-шестеренчатых нагнетателей – наличие внутреннего сжатия. Это обеспечивает им высокую эффективность нагнетания практически на всей шкале оборотов двигателя.
Высокая быстроходность компрессора (до 12000 об/мин) делает его компактным. Кроме того, он имеет больший КПД (около 80%, в то время как у «Рутс» не более 50%), высокую надёжность и уравновешенность.
Для достижения больших значений давления может потребоваться охлаждение корпуса компрессора. Зато при стандартных, не экстремально больших давлениях наддува воздух нагревается не столь сильно, как в рутс-компрессора.
LYSHOLM имеет рабочую частоту вращения обычно 12–14 тыс. оборотов, но может доходить до 25 тыс. об./мин.