Турбокомпрессоры в двигателях внутреннего сгорания

Размещено на http://www.allbest.ru/

Федеральное агентство по высшему профессиональному образованию Российской Федерации

Государственное учреждение высшего профессионального образования

САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

СЕРВИСА И ЭКОНОМИКИ

Специальность "Сервис транспортных и технологических машин и оборудования"

Контрольная работа

по предмету: "Конструкция, расчет и потребительские свойства изделий"

на тему: "Турбокомпрессоры в двигателях внутреннего сгорания"

Выполнил:

студент группы 2301.1

Таратов С.О.

Санкт-Петербург

2011 год

СОДЕРЖАНИЕ

Введение

1. история развития

2. принцип работы

3. Основные характеристики турбокомпрессора

4. Промежуточное охлаждение

5. система зажигания и впрыска топлива

6. будущее турбонаддувА

Используемая литература

ВВЕДЕНИЕ

Конструкторы двигателей внутреннего сгорания всегда стремились к тому, чтобы их мощность была максимально высока, одним из путей решения этой задачи является повышение давления в цилиндрах путем дополнительного нагнетания в них воздуха. Больше воздуха следовательно больше топлива может сгореть за то же время, соответветственно выше мощность.

Этот принцип повышения мощности, который еще в 1905 году запатентовал изобретатель Альфред Бюхли, очень долго не удавалось реализовать на практике. Достаточно сказать, что первый действительно работоспособный турбокомпрессор появился только через сто лет после изобретения двигателя внутреннего сгорания. Конструкторы относительно легко обеспечили подачу воздуха в цилиндры, однако уперлись в проблему скорости изменения давления в промежутке между переключениями передач. При быстром переключении первые турбокомпрессоры запаздывали, поэтому их изначально использовали в двигателях, предназначенных для самолетов и морских судов, поскольку режимы их работы менялись плавно и турбокомпрессоры вполне могли за ними угнаться.

Время шло, и в пятидесятых-шестидесятых годах прошлого века турбокомпрессоры потихоньку стали "перебираться" на автомобили. Сначала ими оснащались дизели, затем настал черед гоночных машин. Проблема с запаздыванием при переключении осталась, хотя конструкторы постоянно над ней работали. Инженеры фирмы Porsche, которые совместно со специалистами компании ККК создали турбокомпрессор, практически моментально реагирующий на переключение передач. Суть нововведения была такова: если давление было излишним, то выхлопные газы отводились мимо крыльчатки, а если нужно, чтобы турбина вращалась быстрее, то открывался перепускной клапан и наддув возрастал.

1. ИСТОРИЯ РАЗВИТИЯ

История развития турбокомпрессоров началась примерно в то же время, что и постройка первых образцов двигателей внутреннего сгорания. В 1885--1896 г. Готлиб Даймлер и Рудольф Дизель проводили исследования в области повышения вырабатываемой мощности и снижения потребления топлива путем сжатия воздуха, нагнетаемого в камеру сгорания. В 1905 г. швейцарский инженер Альфред Бюхи впервые успешно осуществил нагнетание при помощи выхлопных газов, получив при этом увеличение мощности на 40%. Это событие положило начало постепенному развитию и внедрению в жизнь турботехнологий.

Сфера использования первых турбокомпрессоров ограничивалась чрезвычайно крупными двигателями, в частности, корабельными. В авиации с некоторым успехом турбокомпрессоры использовались на истребителях с двигателями Рено ещё во время Первой Мировой войны. Ко второй половине 1930-х развитие технологий позволило создавать действительно удачные авиационные турбонагнетатели, которые у значительно форсированных двигателей использовались в основном для повышения высотности. Наибольших успехов в этом достигли американцы, установив турбонагнетатели на истребители P-38 и бомбардировщики B-17 в 1938 году. Уже в годы войны в США был создан истребитель P-47 с очень мощным турбонагнетателем, который был сделан отключаемым и использовался для форсажа, резко увеличивая мощность и расход топлива.

В автомобильной сфере первыми начали использовать турбокомпрессоры производители грузовых машин. В 1938 г.на заводе "Swiss Machine Works Sauer" был построен первый турбодвигатель для грузового автомобиля. Первыми легковыми автомобилями, оснащенными турбинами были Chevrolet Corvair Monza и Oldsmobile Jetfire, вышедшие на американский рынок в 1962--1963 г. Несмотря на очевидные технические преимущества, низкий уровень надежности привел к быстрому исчезновению этих моделей.

Начало использования турбодвигателей на спортивных автомобилях, в частности на Formula 1, в 70-х годах привело к значительному увеличению популярности турбокомпрессоров. Приставка "турбо" стала входить в моду. В то время, почти все производители автомобилей предлагали как минимум одну модель с бензиновым турбодвигателем. Однако, по прошествии нескольких лет, мода на турбодвигатели начала проходить, так как выяснилось, что турбокомпрессор, хотя и позволяет увеличить мощность бензинового двигателя, сильно увеличивает расход топлива. На первых порах задержка в реакции турбокомпрессора была достаточно большой, что также являлось серьезным аргументом против установки турбины на бензиновый двигатель.

Коренной перелом в развитии турбокомпрессоров произошел с установкой в 1977 г. турбокомпрессора на серийный автомобиль Saab 99 Turbo и затем, в 1978 г. выпуском Mercedes-Benz 300 SD, первого легкового автомобиля, оснащенного дизельным турбодвигателем. В 1981 г. за Mercedes-Benz 300 SD последовал VW Turbodiesel. При помощи турбокомпрессора производителям удалось увеличить эффективность работы дизельного двигателя до уровня бензинового, сохранив при этом значительно более низкий уровень выброса в атмосферу выхлопных газов. Вообще, дизельные двигатели имеют повышенную степень сжатия и, в следствие адиабатного расширения на рабочем ходе, их выхлопные газы имеют более низкую температуру. Это снижает требования к жаропрочности турбины, и позволяет делать более дешёвые или более изощрённые конструкции. Именно поэтому турбины на дизельных двигателях встречаются гораздо чаще, чем на бензиновых, а большая часть новинок (например, турбины с изменяемой геометрией) сначала появляется именно на дизельных двигателях.

2. ПРИНЦИП РАБОТЫ

Принцип работы основан на использовании энергии отработавших газов. Поток выхлопных газов попадает на крыльчатку турбины (закреплённой на валу), тем самым раскручивая её и находящиеся на одном валу с нею лопасти компрессора, нагнетающего воздух в цилиндры двигателя.

Так как при использовании наддува воздух в цилиндры подаётся принудительно (под давлением), а не только за счёт разряжения, создаваемого поршнем (это разряжение способно взять только определённое количество смеси воздуха с топливом), то в двигатель попадает большая смесь воздуха с топливом.

Как следствие, при сгорании увеличивается объём сгораемого топлива с воздухом, образовавшийся газ занимает больший объём и соответственно возникает большая сила, давящая на поршень.

Как правило, у турбодвигателей меньше удельный эффективный расход топлива (грамм на киловатт-час, г/(кВт·ч)), и выше литровая мощность (мощность, снимаемая с единицы объёма двигателя -- кВт/л), что даёт возможность увеличить мощность небольшого мотора без увеличения оборотов двигателя. Вследствие увеличения массы воздуха, сжимаемой в цилиндрах, температура в конце такта сжатия заметно увеличивается и возникает вероятность детонации. Поэтому, конструкцией турбодвигателей предусмотрена пониженная степень сжатия, применяются высокооктановые марки топлива, а также в системе предусмотрен промежуточный охладитель наддувочного воздуха (интеркулер), представляющий собой радиатор для охлаждения воздуха.

Уменьшение температуры воздуха требуется также и для того, чтобы плотность его не снижалась вследствие нагрева от сжатия после турбины, иначе эффективность всей системы значительно упадёт.

Особенно эффективен турбонаддув у дизельных двигателей тяжёлых грузовиков. Он повышает мощность и крутящий момент при незначительном увеличении расхода топлива. Находит применение турбонаддув с изменяемой геометрией лопаток турбины, в зависимости от режима работы двигателя.

3. ОСНОВНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ТУРБОКОМПРЕССОРА

Главные две величины: основной размер турбины и отношение площадь/радиус (A/R).

Предполагается, что основной размер турбины характеризует её способность производить мощность на валу, необходимую для привода компрессора при желаемом расходе воздуха. Поэтому большие турбины, вообще говоря, обеспечивают более высокие отдаваемые мощности, чем небольшие. Для простоты картины оценивать размер турбины можно по диаметру её выходного отверстия. Строго говоря, это является упрощением теории турбин, однако на практике такой подход даёт возможность оценить способность турбины обеспечить тот или иной расход.

В то время как основной размер турбины является критерием расхода газа через турбину, отношение A/R даёт инструмент точного выбора из диапазона основных размеров. Чтобы легко понять идею отношения A/R, представьте кожух турбины в виде конуса, обернутого вокруг вала в виде спирали. Распрямите этот конус и отрежьте небольшой кусок на некотором расстоянии от конца. Отверстие в конце конуса выходное сечение кожуха. Площадь этого отверстия это и есть "А" в отношении A/R. Размер отверстия существенен, поскольку он определяет скорость, с который выходят отработанные газы из улитки турбины и попадают на ее лопатки. При любом заданном расходе газов для увеличения скорости их истечения требуется уменьшение площади выходного отверстия. Эта скорость имеет существенное значение для управления частотой вращения турбины. Необходимо иметь в виду, что площадь выхода влияет на побочный эффект обратного давления отработанных газов и, таким образом, оказывает влияние на процессы, протекающие в камере сгорания двигателя.

"R" в отношении A/R - расстояние от центра площади сечения в конусе до оси вращения вала турбины. Все "А", разделенные на соответствующие им "R", дадут одинаковый результат: R" тоже оказывает сильное влияние на управление скоростью турбины. Представьте, что кончики лопаток турбины движутся с той же скоростью, что и газ, когда он попадает на лопатки. Отсюда легко понять, что чем меньше "R", тем выше частота вращения турбины.

Следует заметить, что увеличение "R" дает прирост момента на валу турбины для привода рабочего колеса компрессора, поскольку та же самая сила (поток выхлопных газов) прикладывается на большем плече рычага (R). Это позволяет приводить большее рабочее колесо компpeccopa, если этого требуют условия применения. Тем не менее, чаще всего при выборе турбины варьируют параметр "А", в то время как радиус остается постоянным, упрощенный подход к выбору отношения A/R показан на схеме

Результатом неправильного выбора отношения A/R может стать увеличение инерционности наддува, если отношение слишком велико. Отношение A/R может быть столь большое, что не позволит турбонагнетателю развить обороты, достаточные для достижения желаемого давления наддува. Если отношение, напротив, чрезмерно мало, реакция турбонагнетателя может быть столь быстра, что будет казаться нервной и трудной для управления. Результат проявится и в виде отсутствия мощности в верхней трети диапазона оборотов двигателя. Это будет похоже на атмосферный двигатель с небольшим карбюратором, у которого закрыта воздушная заслонка.

4. ПРОМЕЖУТОЧНОЕ ОХЛАЖДЕНИЕ

Промежуточный охладитель это теплообменник, расположенный между турбонагнетателем и впускным коллектором. Основная его задача состоит в том, чтобы забрать ненужную теплоту из нагнетаемого воздуха, которую туда добавил турбонагнетатель в процессе сжатия. Очевидно, что качество промежуточного охладителя должно оцениваться его способностью по переносу этой теплоты. К сожалению, это только верхушка айсберга, поскольку простое по сути добавление промежуточного охладителя создает множество разнообразных проблем. Извлечение большей пользы от установки промежуточного охладителя при уменьшении проблем, которые он может принести - техническая задача, которая должна быть решена прежде, чем можно будет создавать систему турбонаддува с промежуточным охлаждением воздуха.

Отвод теплоты от нагнетаемого воздуха имеет два огромных достоинства. Во-первых, понижение температуры увеличивает плотность воздуха. Увеличение плотности пропорционально изменению температуры (измеренное по абсолютной шкале). Более плотный воздушный заряд производит больше энергии. Вторым, но не менее важным эффектом является потрясающий выигрыш в процессе сгорания, вызванный уменьшением вероятности возникновения детонации вследствие пониженных температур воздушного заряда. Эти два достоинства являются причиной того, что правильно выбранный промежуточный охладитель может увеличить мощность и/или запас прочности двигателя с турбонагнетателем.

Поиск места для размещения промежуточного охладителя часто сводится к поиску доступного пространства для достаточно большого агрегата. Для этого не требуется научных знаний. Однако, необходимо соблюсти несколько правил. Недопустимо размещение промежуточного охладителя воздух/воздух в двигательном отсеке. Размещение его за радиатором системы охлаждения также не годится.

Воздух, прошедший через радиатор системы охлаждения имеет температуру около 50°С или более, он горячей окружающего воздуха и поэтому не способен охладить что-нибудь.

Действительно, турбонагнетатель при низких давлениях наддува, не может нагреть впускной воздух до температуры подкапотного воздуха, который якобы должен охладить интеркулер. Когда это происходит, промежуточный охладитель становится "промежуточным нагревателем", а не нужной частью системы турбонаддува. Когда наддув повышается и температура впускного воздуха превышает температуру подкапотного пространства, промежуточный охладитель, начнет немного охлаждать, но будет всегда страдать от серьезной потери своей эффективности. Так же нежелательным является излучение тепла под капотом от нагретых деталей двигателя. Термоизоляция и правильно проложенные трубы могут помочь решить эти задачи, но, совершенно очевидно, что моторный отсек неподходящее место дня промежуточного охладителя.

5. СИСТЕМА ЗАЖИГАНИЯ И ВПРЫСКА ТОПЛИВА

турбокомпрессор двигатель дизельный охладитель

Система электронного впрыска топлива (EFI) представляет собой совокупность управляемых топливных клапанов, открываемых электрическим сигналом, и обеспечивающих подачу топлива в двигатель. Соотношение воздух/топливо определяется временем, в течении которого форсунки остаются открытыми во время рабочего цикла. Это время называется длительностью импульса. Компьютер EFI собирает данные с группы датчиков, которые сообщают ему, на каких оборотах работает двигатель и нагрузку на него в данный момент. Имея эти данные, компьютер начинает просматривать находящуюся в его памяти информацию, чтобы определить, как долго он должен держать форсунки открытыми, чтобы обеспечить топливные требования, продиктованные этими условиями. Когда эта информация найдена, она извлекается из памяти и передается к форсункам как импульс напряжения определенной длительности. Длительность импульса измеряется в тысячных долях секунды, или в миллисекундах (мс). Когда этот цикл закончен, программа компьютера сообщает ему, об этом, и он продолжает выполнять его снова и снова, при этом компьютер всегда готов получить новые исходные данные. Все это - получение данных, анализ, и преобразование занимают приблизительно 15 % мощности компьютера. Оставшаяся часть времени это простой процессора. Датчики, на которые компьютер полагается, чтобы получать информацию - неотъемлемая часть EFI и являются глазам и ушам системы:

Датчик массового расхода воздуха/датчик расхода воздуха. Система впрыска, работающая с датчиком массового расхода воздуха или датчиком расхода воздуха, названа системой впрыска "с массовым расходом". Чувствительный элемент измеряет число молекул воздуха, попадающих в систему в любой момент времени. Если это число разделить на обороты двигателя, это даст точное значение количества топлива, необходимого для одного рабочего цикла в двигателе.

Датчик температуры воздуха. Плотность воздуха изменяется как функция температуры. Поэтому, компьютер должен знать, что необходимо изменить длительность импульса, если датчик температуры воздуха обнаруживает изменение температуры воздуха. Датчик температуры охлаждающей жидкости. Количество топлива, требуемое двигателю, обратно пропорционально температуре двигателя. Датчик температуры охлаждающей жидкости отражает рабочую температуру двигателя. Холодному двигателю требуется большее количество топлива для того, чтобы получить достаточно паров топлива для воспламенения. Чем более нагрет двигатель, тем легче парообразование, и меньше количество требуемого топлива.

Датчик давления во впускном коллекторе. Не все системы EFI оборудованы датчиком давления во впускном коллекторе. Те, в которых он присутствует, называются системами EFI, работающими на принципе "плотность/скорость". Когда используется датчик давления во впускном коллекторе, датчик массового расхода воздуха или датчик расхода воздуха становится не нужен. Давление во впускном коллекторе в любой данный момент достаточно точно отражает нагрузку на двигатель. Следовательно, датчик давления во впускном коллекторе сообщает компьютеру данные о текущем эксплуатационном режиме.

Датчик кислорода. Датчик кислорода измеряет количество остаточного кислорода в выхлопных газах после процесса горения. Он установлен в выпускном коллекторе и таким образом становится для компьютера "сторожевым псом" фактического качества смеси. Если датчик обнаруживает слишком большое количество кислорода, компьютер, на основе информации в его памяти, будет немного увеличивать длительность импульсов впрыска, таким образом, добавляя топливо и используя избыточный кислород. Контролируя оставшийся кислород, компьютер может непрерывно поддерживать необходимую длительность импульсов, для обеспечения запрограммированного соотношения воздух/топливо. В жизни датчик кислорода нужен для поддержания соотношения воздух/топливо в рамках, необходимых для работы трехкомпонентного катализатора. Это не устройство для экономии топлива или обеспечения мощности.

Датчик частоты вращения. Импульсы впрыска каждый рабочий цикл должны, конечно, всегда соответствовать частоте вращения двигателя. Датчик оборотов двигателя обеспечивает это, контролируя низковольтные импульсы на катушке зажигания.

Датчик положения распределительного вала. В системе последовательного впрыска датчик положения распределительного вала сообщает блоку управления, в каком порядке работают цилиндры двигателя. По сигналам этого датчика блок управления определяет, в каком порядке осуществлять впрыск.

Датчик положения дроссельной заслонки. Полезная мощность двигателя в значительной степени зависит от положения дроссельной заслонки. Полностью открытая дроссельная заслонка, очевидно, говорит о том, что от двигателя требуется все, на что он способен, и расход топлива должен, в этом случае, быть увеличен. Поэтому, положение дроссельной заслонки является для компьютера важным параметром. Еще один тип данных, которые дает датчик положения дроссельной заслонки - скорость изменения положения дроссельной заслонки. Эта функция становится эквивалентом ускорительного насоса в карбюраторе. Ускорительный насос обеспечивает быстрое обогащение смеси, при быстром открытии дроссельной заслонки.

Топливные форсунки системы впрыска имеют расход топлива в единицу времени, измеряемый в см3/мин. Существует огромное разнообразие размеров. Также большое число единиц объема или массового расхода используется, чтобы оценить пропускную способность форсунки.

Вычисления, необходимые для поиска форсунок требуемого размера, не являются сложными.

Число 5,775 - фактически удельный расход топлива при макси-мальной нагрузке для типичного двигателя с турбонаддувом. В общем случае, число форсунок равно числу цилиндров. Понятно, что нужно выбирать следующий больший размер форсунки, чем расчетная величина. Больший размер может обеспечить некоторую свободу для будущих усовершенствований двигателя.

Дополнительные компоненты системы EFI - топливный насос, регулятор давления, топливопроводы, пневмоклапаны, регулятор холостых оборотов и различные реле.

Выбор свечи зажигания для двигателя с турбонаддувом достаточно прост. Диапазон рабочей температуры свечи - главный критерий для правильного выбора. Классификация свечей по их диапазону рабочей температуры не имеет никакого отношения, когда или как они обеспечивают зажигание смеси. "Диапазон рабочей температуры" означает только то, как особенности конструкции свечи позволяют ей отводить теплоту от электрода.

Представьте, что желательно иметь одну и ту же температуру для элементов свечи независимо от величины нагрузки на двигатель. Тогда свеча зажигания для низкооборотистого, с низкой нагрузкой, с низкой степенью сжатия двигателя должна медленно отводить теплоту от электрода, иначе свеча будет работать при слишком низкой температуре.

Такая свеча называется "горячей " свечой зажигания. Двигатель с турбонаддувом, само собой, должен иметь свечи, которые отводят большое количество теплоты от электрода. Такая свеча, называется "холодной". Желательно, чтобы свеча была достаточно горячей для непрерывно сжигания сажи и отложений, но в то же время достаточно холодной, чтобы предотвратить быстрое разрушение элементов свечи. Свеча, которая работает при слишком высокой температуре, может сама служить источником зажигания, которое фактически начнет воспламенение до возникновения искры зажигания. Это - преждевременное зажигание, и оно может привести к детонации.

6. Будущее турбонаддува

При помощи турбонаддува, эффективный, отвечающий требованиям к выхлопу автомобиль сегодняшних дней улучшил свои характеристики больше чем любой другой класс транспортных средств за все время.

Автомобильные инженеры создали набор средств управления с такими исключительными технологиями, что сегодняшний мощный уличный автомобиль может иметь меньший расход топлива, чем вчерашний экономичный автомобиль, а сегодняшний экономичный автомобиль часто может быть мощнее вчерашнего суперкара. Высокие технологии, примененные к поставленной задаче автомобильными инженерами, постоянно расширяющими границы, дали результат в виде многочисленного парка автомобилей, которые лучше функционируют, более экономичны, имеют больший ресурс, требуют меньшего обслуживания, и при этом доставляют удовольствие от их вождения. Что сделали специалисты, чтобы достичь таких успехов? Они изобрели новое оборудование. Они хорошо его оптимизировали и настроили его в строгих рамках. Оно изготовлено под строгим контролем и является высоконадежным. Нет никакого сомнения в высокой надежности электронных систем управления двигателем по сравнению с контактными системами зажигания, распределителями зажигания и карбюраторами. Технологии, развитые, чтобы отвечать сегодняшним требованиям, прежде всего, представляют собой электронную систему впрыска топлива, микропроцессорное управление углом опережения зажигания, обратную связь по датчику кислорода и каталитический нейтрализатор.

Комбинация этих четырех пунктов - ключ к получению высоких характеристик автомобиля и экономии, в которой мы нуждаемся для обеспечения низких выбросов. Технически возможно использовать эти элементы оборудования, тщательно их настраивать, и создавать полностью сертифицированное транспортное средство в рамках технических требований. Для начала нужно, во-первых, узнать эти правила.

Это интересное время для автомобилей с высокими характеристиками. Инженерные разработки, качество, высокие характеристики, экономичность, низкие выбросы и высокая долговечность - все это будет и далее совершенствоваться. Если все это произойдет, а так скорее всего и будет, большая работа будет проделана в трех различных областях: турбонагнетатель, оборудование, относящееся к турбонагнетателю, и соответствующие требованиям двигатели.

Любое усовершенствование турбонагнетателя было бы нацелено на то, чтобы заставить его быстрее достигать скоростей, на которых он начинает создавать давление наддува. Если турбонагнетатель можно было бы сделать мгновенно отзывчивым, форма кривой крутящего момента обычного атмосферного двигателя и двигателя с турбонаддувом была бы по существу одной и той же. Это - желаемая цель. Так как достичь этого пока еще не возможно, развитие турбонагнетателей пойдет по двум направлениям: потери в подшипниках и корпус турбины с переменным отношением A/R.

Используемая литература

1. Corky Bell, Maximum Boost 1999. - 122 с.

2. Мацкерле Ю. Современный экономичный автомобиль/Пер. с чешск. В. Б. Иванова; Под ред. А. Р. Бенедиктова. - М.: Машиностроение, 1987. - 320 с

3. Патрахальцев Н.Н., Савастенко А.А. Форсирование двигателей внутреннего сгорания наддувом: - М.: Легион - Автодата, 2004. - 176 с.: ил.

4. Турбодвигатели и компрессоры: Справ. пособие / Г. Хак, Лангкабель. - М.: ООО "Издательство Астрель": ООО "Издательство АСТ", 2003. - 351 с.: ил.

Размещено на Allbest.ru