Дисциплина Силовые агрегаты
Практическое занятие 5
Изучение системы питания воздухом
Учебные вопросы:
Общие положения.
Воздухоочистители.
Глушители шума впуска.
Агрегаты питания воздухом двигателей с наддувом
1. Общие положения.
Система питания воздухом должна обеспечить требуемую степень очистки воздуха при приемлемых уровнях шума впуска и гидравлических потерях.
Наиболее опасной для износа цилиндропоршневой группы двигателя является кварцевая пыль, твердость частиц которой выше твердости трущихся поверхностей двигателя.
Требования, предъявляемые к системам очистки воздуха: высокое качество очистки воздуха, минимально возможное гидравлическое сопротивление, надежность, минимальные масса и габаритные размеры, приемлемые стоимость конструкции и затраты на его обслуживание в процессе эксплуатации.
Минимальное гидравлическое сопротивление системы необходимо для снижения затрат энергии на газообмен и повышения наполнения цилиндров в целях получения высоких значений мощности и экономичности двигателя. Для снижения габаритных размеров и массы систему объединяют с элементами шумоглушения впуска и включают в систему динамического наддува для улучшения наполнения цилиндров.
В легковых автомобилях воздух забирается из-под капота автомобиля, а в грузовых - выносным устройством забора воздуха с фильтрующими элементами.
Такое устройство располагают над кабиной в зоне с пониженным пылесодержанием.
Запыленность воздуха, поступающего в воздухозаборник системы воздухоочистки, зависит от особенностей окружающей среды (сезона года, типа грунта и дороги, направления ветра, влажности воздуха), а также от типа транспортного средства и условий его эксплуатации (интенсивности движения, конструкции шин, аэродинамики транспортного средства).
Воздухоочистители
В современных автотракторных двигателях используют следующие типы воздухоочистителей: инерционно-центробежные, пористые и комбинированные.
Инерционно-центробежные очистители обычно используют в качестве первой ступени системы очистки для снижения пылевой нагрузки на вторую основную ступень.
На грузовых автомобилях обычно используют двухступенчатые воздухоочистители, имеющие во второй ступени картонные фильтрующие элементы (рис. 1, а).
Рисунок 1 Воздухоочистители с картонным фильтрующим элементом (а) и комбинированный двухступенчатый (б):
1 – прямоточный моноциклон; 2 – картонный фильтрующий элемент; 3 – бункер для сбора отсепарированной пыли; 4 – инерционно-масляный воздухоочиститель; 5 – коническая инерционная решетка
Комбинированные воздухоочистители в первой ступени используют батареи циклонов (конических инерционных решеток) со сбором отсепарированной пыли в бункере и автоматическим удалением ее с помощью газового эжектора, а во второй — картонные фильтрующие элементы или инерционно-масляный фильтр (рис 1, б). Однако батареи циклонов имеют большие габариты и высокую материалоемкость.
Центробежная очистка воздуха осуществляется путем осаждение пыли под действием центробежной силы, вызываемой вихревым движением потока в воздухоочистителе.
Воздухоочистители инерционно-масляного типа отличаются простотой конструкции и большим сроком службы, однако, эффективность очистки ими воздуха невысока и существенно зависит от режима работы двигателя. Поэтому сейчас они применяются редко.
Наиболее эффективна очистка воздуха сухими фильтрующими (пористыми) элементами на основе фильтровальных картонов и синтетических материалов.
Воздухоочистители сухого типа с картонными фильтрующими элементами по сравнению с инерционно-масляными воздухоочистителями в 10... 30 раз лучше очищают воздух от пыли. В них можно использовать сигнализатор о накоплении в процессе эксплуатации предельно допустимого количества пыли (по росту сопротивления системы впуска) для предупреждения водителя о необходимости проведения обслуживания элемента. Однако эти фильтры сложно компоновать в моторном отсеке большегрузных автомобилей.
Глушители шума впуска
Аэродинамический шум впуска проявляется в основном на низких частотах, кратных периоду чередования рабочих циклов в цилиндрах двигателя. На средних и высоких частотах шум создается потоком воздуха, обтекающим элементы во впускном трубопроводе. При турбонаддуве значительно повышается мощность акустического излучения на впуске.
Глушители шума впуска двигателей можно разделить на реактивные, активные и комбинированные.
Активный глушитель использует звукопоглощающий пористый материал (технический войлок, минеральную вату, капроновое волокно), размещенный внутри корпуса глушителя, который взаимодействует с потоком газа. Звукопоглощающая способность этих материалов в области низких частот весьма мала, а наиболее эффективное звукопоглощение происходит в области средних и высоких частот. Оно зависит от толщины и плотности материала.
Реактивные глушители (акустические фильтры) формируются из набора камер и трубок, составляющих систему расширительных и резонансных объемов. Они эффективно подавляют отдельные составляющие шума в диапазоне низких и средних частот. Резонансные камеры применяют для снижения шума высокой интенсивности с узким спектром излучения, а расширительные — в широком диапазоне частот, но их заглушающая способность ниже.
Комбинированные глушители построены, по принципу реактивных глушителей, в которые внедрены активные элементы.
Воздухоочистители, как правило, также выполняют роль глушителя шума впуска. При этом воздухозаборник и корпус воздушного фильтра выполняют функции реактивных глушителей, а картонный фильтрующий элемент — активного глушителя.
Подкапотное пространство двигателя можно также использовать для шумоподавления в низкочастотном диапазоне.
Так как воздухоочиститель имеет развитые наружные поверхности, то их выполняют такими, чтобы они не создавали шум. Для У-образных двигателей воздушный фильтр можно формировать в развале блока цилиндров.
Агрегаты питания воздухом двигателей с наддувом
Турбокомпрессоры, применяемые в автотракторных двигателях, форсированных турбонаддувом, состоят из центробежного компрессора и радиально-осевой турбины, установленных на одномвалу (рис. 2, а).
Рисунок 2 Нагнетатели воздуха:
а – турбокомпрессор; б – приводной роторно-шестеренчатый компрессор; в – приводной роторно-пластинчатый компрессор; 1 – впускной патрубок; 2 – гайка; 3 – колесо компрессора; 4 – уметочный сборник; 5 и 10 – уплотнительные кольца; 6 – корпус; 7 – улитка турбины; 8 – колесо турбины; 9 – направляющий аппарат; 11 – вол; 12 – втулка; 13 – диффузор; А – канал; Б – сливное отверстие
Отработавшие газы направляют в подводящую улитку 7 турбины, затем, для повышения скорости, — в суживающийся направляющий аппарат 9и подают под углом на лопатки колеса 8 турбины (для привода ее во вращение). Колесо турбины через вал 11 передает вращение колесу 3 компрессора, зафиксированному на валу гайкой 2. Через впускной патрубок 1 воздух поступает на колесо компрессора, где центробежные силы резко увеличивают его скорость. Затем он выходит в диффузор 13. В нем скорость воздуха уменьшается, а давление возрастает. Через улиточный сборник 4 воздух поступает в двигатель. Вал 11 вращается с высокой частотой во втулке 12. Поэтому к ней по каналу А в корпусе 6 под давлением подается масло, а для его свободного слива из корпуса имеется сливное отверстие Б. Для предотвращения попадания масла в турбину и компрессор на валу имеются уплотнительные кольца 5 и 10.
Объемные приводные нагнетатели, применяемые в автотракторных двигателях, могут быть роторно-шестеренчатыми и роторно-пластинчатыми.
Роторно-шестеренчатый нагнетатель типа «Руте» (рис. 2, б) состоит из двух связанных шестернями роторов в форме восьмерок, вращающихся в разные стороны. Роторы поочередно захватывают объем свежего заряда, имеющего атмосферное давление, и выталкивают его в выходную камеру с повышенным давлением. Для обеспечения уплотнения между роторами, а также между роторами и стенками корпуса создается минимальный зазор. Однако, при больших значениях давления наддува на высоких частотах вращения утечки возрастают, что уменьшает КПД нагнетателя, а максимальная степень повышения давления не превышает 1,6... 1,7.
Роторно-пластинчатый компрессор (рис. 2, в) обеспечивает постепенное сжатие свежего заряда по мере поворота ротора, который затем выталкивается во впускной коллектор двигателя. Такой компрессор создает меньший уровень шума, чем роторно-шестеренчатый. Утечки в нем минимальны из-за того, что пластины прижимаются к стенке корпуса центробежными силами, а его производительность растет пропорционально частоте вращения двигателя. Это хорошо согласуется с работой двигателя по внешней скоростной характеристике. Однако при повышении частоты вращения растут потери на трение между пластинами и корпусом, что ограничивает степень повышения давления наддува.