Примеры конструкций пневмоприводов транспортно-технологических машин
Система турбонаддува двигателя внутреннего сгорания автомобиля
В автомобилестроении для повышения мощности двигателя внутреннего сгорания при той же величине его рабочего объема достаточно широко используется турбонаддув. При турбонаддуве воздух подается в рабочие цилиндры двигателя за счет принудительного нагнетания его компрессором. Поэтому увеличивается количество (масса) воздуха, подаваемого в цилиндры двигателя внутреннего сгорания за один рабочий цикл. При большем количестве воздуха в камере (камерах) сгорания имеется возможность подачи большего количества топлива. За счет увеличения массы рабочей смеси увеличивается количество выделяемой теплоты при сгорании и, следовательно, мощность двигателя.
Рис. 3.1. Принципиальная схема системы турбонаддува двигателя внутреннего сгорания
Таким образом, система турбонаддува служит для нагнетания воздуха в камеру сгорания двигателя. Её основным составным элементом является компрессор 4 (рис. 3.1), который и обеспечивает выполнение указанной задачи. Кроме компрессора, схема подачи воздуха также включает воздухозаборник 1, воздушный фильтр 2 и охладитель 6. Проходя последовательно через фильтр 2, компрессор 4 и охладитель 6, воздух попадает; в двигатель внутреннего сгорания (тепловой двигатель) 7. В камерах сгорания двигателя он смешивается с топливом, а затем происходит сгорание топливно-воздушной смеси.
Система турбонаддува интересна тем, что компрессор для подачи воздуха в двигатель внутреннего сгорания в большинстве случаев имеет пневматический привод. Для этого используется энергия выхлопных газов того же двигателя. Выхлопные газы, направляемые на выход (в атмосферу), перед глушителем 3 проходят через пневматический двигатель 5. В качестве пневматического двигателя обычно используется пневматическая турбина. Выхлопные газы, проходя через турбину 5, приводят её во вращение. Она в свою очередь приводит во вращения компрессор 4. В большинстве конструкций турбина 5 и компрессор 4 имеют общий вал.
Таким образом, система турбонаддува двигателя внутреннего сгорания, в большинстве случаев, включает собственно систему подачи воздуха в камеры сгорания двигателя и пневмопривод компрессора этой системы.
Рассмотрим элементы, входящих в состав приведенной на рис. 3.1 системы турбонаддува.
Воздухозаборник 1 представляет собой трубопровод специальной формы, забирающий воздух из атмосферы.
Фильтр 2 системы турбонаддува двигателя внутреннего сгорания служит для очистки воздуха с целью получения в дальнейшем топливно-воздушной смеси высокого качества и, следовательно, обеспечения её нормального сгорания. Принципиально он не отличается от обычных воздушных фильтров, используемых на автомобильных и тракторных двигателях.
В качестве компрессора 4 в большинстве систем турбонаддува двигателей внутреннего сгорания используются динамические лопастные компрессоры, причем наибольшее распространение получили центробежные одноступенчатые компрессоры. Такие компрессоры надежны в работе, так как не имеют пар трения, выполняемых с высокой точностью. Некоторую сложность при производстве лопастных компрессоров представляет собой изготовление рабочего колеса и корпуса компрессора (они обычно изготовляются литьем). Эксплуатируются центробежные компрессоры при относительно высоких частотах вращения, поэтому основным элементом, определяющим надежность работы и срок службы компрессора, является его подшипник (или подшипники).
Кроме динамических, в качестве компрессоров используются также объемные пневмомашины. Объемные компрессоры обычно приводятся во вращение непосредственно от коленчатого вала двигателя, и в двигателе-строении их чаще называют нагнетателями. Наибольшее применение в качестве нагнетателей получили поршневые, роторно-поршневые и другие роторные компрессоры. Эти компрессоры (с приводом от вала двигателя) по сравнению с лопастными компрессорами (с приводом от пневматической турбины) могут обеспечивать достаточно стабильную подачу в широком диапазоне скорости вращения. Они позволяют существенно повышать мощность двигателя при средних и малых скоростях вращения его вала. При этих скоростях вращения коленчатого вала двигателя подача лопастного компрессора может быть меньше требуемого расхода воздуха из-за небольшого количества отработанных газов, направляемых от двигателя через турбину привода на выхлоп. Однако объемные нагнетатели имеют существенно большие габариты и массу.
Современные системы принудительной подачи воздуха в двигатели внутреннего сгорания с использованием объемных компрессоров позволяют повышать их мощность в 1,25... 1,4 раза. Большее повышение мощности ограничивается невозможностью значительного повышения давления из-за утечек воздуха через зазоры в компрессоре. Использование лопастных компрессоров с приводом от пневматической турбины позволяет увеличивать мощность двигателя в 1,5...2 и более раз. Необходимо учитывать, что объемные компрессоры могут повышать мощность двигателя внутреннего сгорания в широком диапазоне скоростей вращении его вала, а лопастные компрессоры эффективно работают в зоне высоких скоростей.
В компрессорах, в соответствии с законами термодинамики, при сжатии происходит нагревание воздуха. Однако подвод нагретого воздуха к двигателю не целесообразен, так как это влечет за собой уменьшение массового заполнения его рабочих камер воздушно-топливной смесью и ухудшение теплового режима двигателя. Для устранения отмеченных отрицательных моментов воздух после компрессора охлаждается, проходя через теплообменник-охладитель 6. В большинстве систем наддува для этого используется система охлаждения двигателя, однако может быть использован и обдув пневмопривода воздухом окружающей среды.
Пневматическая турбина 5,применяемая для привода компрессора, использует энергию выхлопных газов двигателя, давление которых на выходе из рабочего цилиндра двигателя внутреннего сгорания достигает 0,4...0,5 МПа. Выхлопные газы направляются на лопатки пневмотурбины и приводят её во вращение. В большинстве систем турбонаддува пневматическая турбина представляет собой лопастную динамическую машину с радиальным направлением потока выхлопных газов на входе. Её принципиальное устройство аналогично конструкции одноступенчатого центробежного компрессора, рассмотренного ранее, но рабочий поток через турбину направлен в противоположном (по сравнению с компрессором) направлении.
Глушители, используемые на двигателях с турбонаддувом, практически ничем не отличаются от глушителей, используемых на аналогичных двигателях внутреннего сгорания без турбонаддува.