Как турбировать двухтактный двигатель

Наддув двухтактных ДВС

Всё, что обсуждалось нами в предыдущих главах, относилось как к проблемам наддува четырёхтактных, так и двухтактных двигателей. Как правило, все возможные системы наддува четырёхтактных двигателей применимы и для двухтактных. Однако в случаях двухтактных двигателей возникают некоторые особенности в части использования газотурбинного наддува.

Ранее мы уже говорили, что при наддуве двухтактных двигателей необходимо обеспечить значительно более высокие расходы воздуха через двигатель. Очевидно, что расход воздуха в единицу времени у двухтактного двигателя должен быть теоретически в два раза больше, чем у четырёхтактного двигателя той же размерности, той же быстроходности, при том же числе цилиндров и при том же коэффициенте избытка воздуха. Расход воздуха на один цилиндр на один рабочий цикл также должен быть больше. Это определяется тем, что именно таким путём достигается улучшенная очистка цилиндра, продувка его избыточным количеством воздуха и одновременно снижаются температуры стенок камеры сгорания и выпускных органов двигателя, которые у двухтактного двигателя более высоки, чем у четырёхтактного. Вынужденное использование избыточного продувочного воздуха у двухтактного двигателя приводит к тому, что температура отработавших газов понижается, что приводит к усложнениям в применении газовой турбины.

В отличие от четырёхтактного двигателя двухтактный обязательно должен иметь нагнетатель воздуха, имеющий привод от коленчатого вала, без которого нельзя запустить двигатель. На рис. 8.3. приведена типичная схема газотурбинного наддува двухтактного дизеля.

Рис. 8.3. Схема системы наддува двухтактного двигателя. Ф – фильтр воздуха, К – компрессор газотурбонагнетателя, Х – холодильник воздуха, Н – приводной нагнетатель, д – дизель, ГЕ – газовая турбина, Г – глушитель.

В данном случае нагнетатель Н, предпочтительно объёмного типа, имеет механический привод от коленчатого вала и является второй ступенью наддува. Первой ступенью служит свободный ГТН с компрессором К. Поскольку у двухтактного двигателя при полных нагрузках располагаемая энергия отработавших газов повышена, то компрессор К может иметь повышенную степень повышения давления, а следовательно целесообразно после него провести охлаждение воздуха в холодильнике Х. Благодаря промежуточному охлаждению воздуха снижается мощность, необходимая для подачи в двигатель данного количества сжатого воздуха.

Приводной нагнетатель у двухтактного двигателя необходим не только для обеспечения пуска, но и потому, что на пониженных нагрузках, когда трудно достичь высокого коэффициента наполнения, такой нагнетатель позволяет решить эту проблему. В результате также повышается приёмистость двигателя.

Как ранее уже отмечалось, применение газотурбинного наддува повышает мощность и момент двигателя на номинальном режиме, но со снижением частоты вращения степень повышения мощности или момента снижается из – за снижения энергии отработавших газов и нарушения оптимальности скоростей на входе в турбину, если она не регулируемая. Регулирование турбины с помощью соплового аппарата и прочими средствами, конечно существенно снижает отрицательное влияние этого явления. Вообще, применение наддува, при условии одинаковой номинальной мощности, снижает приспособляемость и приёмистости двигателя, что и показано на рис. 8.4.

Рис. 8.4. Сравнение протекания характеристик крутящего момента дизеля без наддува (1) и с наддувом (2).

Видно, что коэффициент приспособляемости по моменту снижается с 1,18 до 1,09, а по частоте – возрастает с 0,75 до 0,85 при переходе от двигателя без наддува к двигателю с наддувом.

Рассмотрим теперь различные как широко применяемые, в том числе ранее рассмотренные, так и особенные системы наддува, которые обеспечивают то или иное изменение протекания кривой крутящего момента двигателей.

Дата добавления: 2014-12-26 ; Просмотров: 2279 ; Нарушение авторских прав?

Нам важно ваше мнение! Был ли полезен опубликованный материал? Да | Нет

Источник

Как турбировать двухтактный двигатель

Главное меню

Судовые двигатели

Меньшая продолжительность процессов выпуска и продувки в двух­тактных двигателях, отсутствие «насосных ходов» создают определенные трудности применения газотурбинного наддува, т. е. наддува, создаваемого только «свободновращающимся» газотурбон агнетателем К таким трудно­стям относится обеспечение работы двигателя на малых оборотах, т. е. на долевых нагрузках продувочно-наддувочным воздухом, так как выхлоп­ные газы, смешиваясь с воздухом, обладают минимальной энергией.

Короткий выпускной тракт, постановка газовой турбины в непосред­ственной близости к цилиндру и эффективное использование кинетической энергии выпускных газов позволили создать судовые двухтактные дизели с газотурбинным наддувом, с умеренной степенью наддува ? н = 1,3 ? 1,5 и имеющие прямоточно-клапанную продувку. Схема двухтактного дизеля с газотурбонагнетателем, работающим на газах переменного давления, по­казана на рис. 131.

На этом рисунке обозначены: 1 — выпускной клапан; 2 — газовая турбина; 3 — нагнетатель; 4 — утилизационный котел; 5 — холодильник; 6 — ресивер продувочного воздуха.

Так же как и в четырехтакт­ных двигателях (для избежания на­рушения продувки), группирова­ние цилиндров по выпуску должно быть согласовано с порядком ра­боты их.

На рис. 132 показана схема подвода газов к турбинам, приме­няемая дизелестроительными заво­дами. Если двигатель имеет до вось­ми цилиндров, то обычно устанав­ливаются две турбины, девяти- и десятицилиндровые двигатели име­ют три турбины, и двигатели с чис­лом цилиндров больше десяти имеют четыре турбины.

Для обеспечения продувочно-наддувочным воздухом двухтактного двигателя с контурными системами продувок при различных режимах ра­боты его и при различных значениях степени наддува применяют комбини­рованные способы наддува.

Читайте также:  Сколько оборотов двигатель на ниве

Наиболее распространенные схемы комбинированного наддува двух­тактных дизелей приведены на рис. 133. Система наддува (рис. 133, а) имеет газотурбонагнетатель (газовая турбина Т и центробежный компрессор К), промежуточный воздухоохладитель X и приводимый от двигателя надду­вочный насос Н. Воздух вначале поступает в центробежный компрессор К, который приводится в действие газовой турбиной Т, работающей на вы­пускных газах двигателя. Из компрессора воздух через холодильник X поступает в насос H, приводимый в действие двигателем, который, таким образом, является второй ступенью давления. Такая система наддува назы­вается «последовательной». При этой системе двигатель может работать со значительным избытком воздуха как на номинальном режиме (газотурбонагнетатель работает с полной мощностью), так и на режимах долевых на­грузок, включая пуск двигателя в ход.

К недостатку данной системы наддува следует отнести то, что каждый из наддувочных насосов в отдельности, как центробежный компрессор, так и насос, приводимый в действие от двига­теля, должны обладать производительно­стью, равной полному расходу воздуха.

В качестве примера применения после­довательной системы наддува на рис. 134 приведена схема двухтактного дизеля фир­мы МАN с контурной продувкой. Двига­тель имеет турбину 4 (работает от газов из выпускного ресивера 6), которая приво­дит в действие центробежный компрес­сор 2. Очищенный в фильтре 3 воздух из компрессора 2 через холодильник 1 посту­пает в общий для всех цилиндров реси­вер 8, откуда периодически поступает при ходе поршня вверх через автоматические клапаны в индивидуальные подпоршневые полости 7 каждого рабочего цилиндра.

При движении поршня рабочего цилиндра вниз воздух в подпоршневой полости сжи­мается, чем достигается вторая ступень давления и, следовательно, продувка и наддув двигателя при переменном давлении. Импульс давления, достигающий 2 кГ/см 2 , устраняет заброс газов в подпоршневую полость в момент открытия продувочных окон. Утилизационный котел 5 использует тепло газов после турбины 4.

Мощность, затрачиваемая на сжатие воздуха в подпоршневой полости при полной нагрузке, составляет около 3% от мощности двигателя. При отключении газотурбонагнетателя использование подпоршневой полости позволяет двигателю развить мощность порядка 45% от номинальной.

«Параллельная» система наддува (см. рис. 133, б) предусматривает восполнение недостающей производительности газотурбонагнетателя доба­вочным насосом, приводимым в действие от двигателя, или подпоршневым нагнетателем, работающими параллельно с газотурбонагнетателем. В этом случае оба потока воздуха поступают в коллектор, а оттуда к продувочным окнам рабочих цилиндров.

На рис. 135 приведена схема параллельной системы наддува, приме­ненная в двухтактных дизелях фирмы МАН. В коллектор 8 продувочно­наддувочный воздух поступает одновременно (параллельно) как из компрес­сора 2, приводимого в действие турбиной 4 через холодильник 1, так и из подпоршневой полости 7. Остальные обозначения те же, что и на рис. 134.

Испытания двигателя марки КZ78/140, мощностью 12 000 э. л. с. при 119 об/мин показали, что при полной нагрузке он имел: р е = 7,6 кГ/см 2 ‘, р 2 = 59,8 кГ/см 2 ; р к = 1,525 кГ 1см 2 ; ? т = 0,869; g e = 154 г/э. л. с.·ч.; ? е = 0,409; g і = 134,3 г/и л. с·ч; температура воздуха перед охладителем 57,8° С и после охладителя 21,9° С (?t = 35,9°С); температура газов в вы пускном коллекторе около 300°С и пе ред турбиной около 375° С; наибольшее давление воздуха в подпоршневой полости 3,38 кГ/см 2 , мощность, затрачиваемая на нее, составляет около 3,8%.

Импульсная турбина, одна на каждые три цилиндра двигателя, разви­вает при полной нагрузке 5 750 об/мин.

Фирма МАН в последнее время стала применять последовательно-па­раллельную систему наддува, схема которой была рассмотрена ранее и приведена на рис. 112 .

На рис. 133, в параллельный наддув предусматривает применение до­полнительного турбокомпрессора К 1 приводимого в действие от электро­двигателя Э.

На рис. 133, г газовая турбина кинематически связана с двигателем. Мощность, расходуемая на центробежный компрессор, покрывается двумя источниками — газовой турбиной и самим двигателем или газовой турбиной и электродвигателем. Таким образом, данная система наддува имеет только один наддувочный агрегат.

Наряду с «импульсными» турбинами для осуществления комбинирован­ного наддува мощных дизелей применяются и газовые турбины постоянного давления. Фирма «Фиат» выпускает двухтактные дизели с наддувом с ис­пользованием энергии выпускных газов постоянного давления.

На рис. 136 показана схема двигателя с поперечной продувкой, у ко­торой продувочные окна выше выпускных и перекрываются автоматическими клапанами. Система наддува последовательная, первая ступень дав­ления создается газотурбонагнетателем 1—2, работающим на газах постоян­ного давления, которые поступают из коллектора 7. Воздух из нагнетателя 2 через холодильник 3 подводится в поршневой насос 6, приводимый в дей­ствие от двигателя, где осуществляется вторая ступень сжатия. Воздух охлаждается и после второй ступени сжатия в холодильнике 5 перед поступлением в коллектор 4. Данная система наддува осуществляется с мень­шим числом ГТН и обеспечивает работу на всех режимах работы двигателя. При выключенных ГТН двигатель может развить мощность, равную 80% номинальной. К преимуществам данной системы наддува также можно отнести то, что исключается попадание кусков сломанных поршневых колец в турбину, так как тако­вые через выпускные окна попадают в выпускной кол­лектор.

Двигатели «Фиат» с рассматриваемой системой наддува при р к = 1,6 кГ/см 2 и р е = 7 кГ/см 2 имеют g е = 160 г/з. л. с·ч и темпе­ратуру газов перед турби­ной около 320° С.

В целях повышения эффективности работы тур­бонагнетателя как на но­минальном, так и на доле­вых режимах нагрузки фирма МАН на дизеле серии КZ марки 84/ 160 (z — число цилиндров 10, мощность 18 000 л. с. при 115 об/мин) применила инжекторы в подводящем воздухопроводе. Кроме того, такая параллельная система наддува позволяет упростить конструк­цию ресивера продувочного воздуха, так как можно его выполнить без пере­городок.

Читайте также:  Как собрать двигатель для модели

На рис. 137, а приведена схема наддува указанного двухтактного ди­зеля. Центробежный нагнетатель 1 приводится в действие газовой турби­ной 3. Воздух из подпоршневого пространства 4 нагнетается по трубопро­воду в инжектор 2, по выходе из которого подсасывает воздух, поступающий из нагнетателя (рис. 137, б). Благодаря этому турбонагнетатель может устой­чиво работать на режимах малой нагрузки дизеля. Предохранительный кла­пан 6 предотвращает чрезмерное повышение давления воздуха в подводящем трубопроводе к инжектору. Воздухохолодильники предусмотрены как на выходах 7 из нагнетателей, так и на выходах из байпасных патрубков с авто­матическими клапанами 5. По мере повышения мощности дизеля повышается давление нагнетаемого воздуха из полости 4, и по достижении величины дав­ления воздуха в продувочном ресивере клапан 5 открывается, и после этого воздух, нагнетаемый поршнями дизеля, будет непосредственно поступать в цилиндры его.

Источник

motoizh.ru

Все о мотоциклах ИЖ

НАДДУВ ДВУХТАКТНЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ

НАДДУВ ДВУХТАКТНЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ

Сообщение admin » 05 окт 2004, 16:19

В простейшей конструктивной форме двухтактного двигателя с тремя каналами функции распределительного органа выполняет поршень, открывающий и закрывающий впускные, перепускные и выпускные окна цилиндра.

Такое устройство по существу нерационально для работы двигателя с наддувом, так как выпускные окна закрываются позднее перепускных; диаграмма распределения получается симметричной (рис. 110).

Если применить наддув, то в лучшем случае (с большой потерей свежей смеси в выпускные окна) можно было бы приблизить коэффициент наполнения к единице. Между тем потеря смеси в выпуск означает большой расход горючего, непроизводительную затрату мощности на привод нагнетателя и уменьшение литровой мощности.
Наддув в сочетании с симметричными фазами газораспределения сначала применяла на своих гоночных мотоциклах фирма DKW.
Схема на рис. 111, а соответствует первым двигателям выпускавшимся в период с 1926 до 1931 г. Они работали по принципу обычной трехканальной системы с дефлекторной продувкой, но имели поршневой нагнетатель, непосредственно соединенный с полостью картера. Поршень нагнетателя приводится в движение специальным шатуном и эксцентриком, закрепленным на коленчатом валу. При движении поршня двигателя вверх поршень нагнетателя идет вниз, всасывая в картер дополнительное количество горючей смеси. Во время следующего хода поршни сходятся, сжимая смесь, и заставляют ее переходить в цилиндр двигателя в момент открытия перепускных окон. Эксцентрик устанавливается с таким расчетом, чтобы поршень нагнетателя немного отставал от поршня двигателя и подходил к своему верхнему положению в момент закрытия перепускных окон.
Впускные окна, соединенные с карбюратором, управляются нижней кромкой поршня и на схеме не показаны.

К 1932 г. удалось довести мощность такого двигателя (250 см3) до 13 кВт. Однако к этому времени лучшие образцы четырехтактных двигателей класса 250 см3 развивали до 16 кВт и мотоциклы DKW терпели одно поражение за другим от английских мотоциклов с четырехтактными двигателями.
Своего рода сенсацией явился первый приз, полученный гонщиком Э. Торричелли на австрийском мотоцикле «Пух» с двухтактным двухпоршневым двигателем класса 250 см3 за гонку на Большой приз Германии в 1931 г., в период, когда английские мотоциклы с четырехтактными двигателями выигрывали подряд почти все крупные соревнования.
Может быть это событие в известной степени повлияло на решение фирмы DKW перейти в 1932 г. на двухпоршневой тип конструкции двухтактных гоночных двигателей.
На практике осуществление эффективного двухтактного процесса было связано с серьезными трудностями. Главная задача состояла в получении высокого коэффициента наполнения и в уменьшении до минимума коэффициента остаточных газов. Для улучшения этих показателей в основу всех следующих конструкций DKW, приведенных схематически в хронологическом порядке на рис. 111, положена схема двигателя с так называемым П-образным цилиндром. Одному из первых двигателей такого типа в сочетании с поршневым нагнетателем соответствует схема 111, б. Здесь два параллельных цилиндра имеют общую камеру сгорания. Правый поршень управляет выпускными окнами, а левый — перепускными.
Выпускной поршень соединен при помощи шатуна с коленчатым валом обычным способом; шатун перепускного поршня присоединяется к боковой проушине на нижней головке выпускного шатуна.
Преимущество такой схемы заключается в сдвиге фаз распределения выпускных и перепускных окон. В момент прохода поршнями н. м. т. перепускной поршень несколько отстает от выпускного и перепускные окна закрываются позднее выпускных, благодаря чему можно с успехом применить подачу горючей смеси под давлением от нагнетателя с минимальными потерями на выпуск. Диаграмма распределения приобретает несимметричный вид (см. рис. 110).
Конструкции с П-образными цилиндрами могут быть условно причислены к разряду двигателей с прямоточной продувкой, давшей хорошие результаты по качеству наполнения и очистки цилиндра. При прямоточной продувке нет потоков горючей смеси и продуктов сгорания, движущихся навстречу один другому. Отличные свойства прямоточной продувки хорошо известны по опыту эксплуатации двухпоршневых дизелей. По сути дела П-образный цилиндр представляет собой согнутый цилиндр двигателя с поршнями, двужущимися в противоположных направлениях.
Так же, как и в предыдущей схеме, поршень нагнетателя приводится в действие от коленчатого вала шатуном и эксцентриком, но цилиндр расположен горизонтально. Горючая смесь проходит от цилиндра нагнетателя непосредственно в цилиндр двигателя, минуя картер. Нагнетатель всасывает горючую смесь через несколько мембранных клапанов, помещенных на крышке его цилиндра. Мембранный клапан представляет собой тонкую металлическую пластинку, прикрепленную одним концом к крышке. Каждая мембрана прикрывает соответствующую щель на крышке. Когда над поршнем возникает разрежение, мембрана отгибается атмосферным давлением и пропускает горючую смесь внутрь цилиндра нагнетателя. Таким образом, мембраны играют роль автоматических клапанов. Ничтожная инерция мембран позволяет двигателю развивать свыше 5000 мин-1.
Двигатели класса 250 см3 с П-образным цилиндром и мембран-ными клапанами развивали до 16 кВт (65 кВт/л) и выиграли в ряде гонок у лучших четырехтактных машин, но мембраны были подвержены поломкам и причиняли много неприятностей. Наиболее надежными оказались мембраны, выполненные из шведской пружинной стали, а на позднейших типах двигателей—из бериллия.
На схеме рис. 111,в показана дальнейшая модификация мембранного двигателя с П-образным цилиндром. Нагнетатель имеет вертикальный цилиндр с укороченным перепускным каналом и самостоятельный коленчатый вал, соединенный с валом двигателя цепной передачей.
Рабочий объем поршневых нагнетателей постепенно увеличивали от 130 см3 (диаметр цилиндра 90 мм, ход поршня 20 мм) до 440 см3 (d = 100 мм, S = 56 мм).
Следующим этапом развития явился двигатель с вертикальным поршневым нагнетателем и вращающимся впускным клапаном (золотником), выполненный по схеме 111,г. Вращающийся клапан позволил отказаться от нежных мембран, увеличил наполнение нагнетателя и сделал двигатель весьма надежным в работе. Передача от коленчатого вала к валу нагнетателя осуществлялась цилиндрическими шестернями. По мощности 20 кВт двигатель (250 см3) превосходил четырехтактные двигатели 1938 г. и отличался хорошей приемистостью.
Таким образом, к концу 30-х годов гоночные мотоциклы с двухтактными двигателями, имеющими нагнетатель, были практически равноценны по быстроходности гоночным мотоциклам с четырехтактными двигателями без нагнетателей. Однако мотоциклы с двухтактными двигателями расходовали значительно больше топлива и при определенной длине дистанции гонки должны были делать остановку для пополнения запаса топлива, тогда как мотоциклы с четырехтактными двигателями нередко могли пройти всю дистанцию безостановочно и за счет этого показать лучший результат.
Главными соперниками в этот период борьбы между сторонниками применения двухтактного и четырехтактного двигателей были мотоциклы DKW (Германия) и «Гуцци» (Италия).
Когда в 1939 г. появились гоночные мотоциклы «Гуцци» н «Бенелли» с четырехтактными двигателями с нагнетателями, преимущество в быстроходности оказалось снова у сторонников применения четырехтактных двигателей. В это время фирма DKW разработала свой последний вариант гоночного двухтактного двигателя, показанный на схеме 111, д. Он имеет два П-образных цилиндра и двухколенчатый вал; нагнетатель ротативного типа нагнетает горючую смесь в картер, откуда она поступает в цилиндры через перепускные каналы. Нагнетатель получает вр
ащение от коленчатого вала с помощью цепной передачи. Перед второй мировой войной двигатель находился в экспериментальной стадии и развивал мощность более 29 кВт.
Для выпуска небольшими сериями фирма DKW в те же годы разработала менее форсированный тип двигателя (15 кВт) с П-образным цилиндром и картерным поршневым нагнетателем, как у первых образцов с дефлекторной продувкой, но с горизонтальным расположением цилиндра нагнетателя (схема 111,е). Впускные окна этого двигателя управляются нижней кромкой выпускного поршня.
Все двухтактные двигатели DKW строились с водяным термосифонным охлаждением и зажиганием от магнето маховичного типа. В конструкциях с картерными нагнетателями пользовались смазкой из смеси моторного масла с горючим в отношении 1:20. В остальных случаях (схемы 111, б, в и г), когда горючая смесь не проходит через картер, предусматривалась отдельная смазка масляным насосом с постоянной подачей свежего масла по не-циркуляционной системе («на полный прогар»).

Читайте также:  Как установить двигатель ваз на уаз

Известны конструкции гоночных двухтактных двигателей с противоположно движущимися поршнями, в которых осуществляется прямоточная, теоретически наиболее рациональная продувка. К этому типу относятся двигатели «Империя» (350 см3, 1935 г.), ГК-1 (350 см3, 1946 г., рис. 112) и ИФА (125см3, 1956 г.). При такой схеме двигатель имеет два коленчатых вала, связанных какой-либо, например шестеренной, передачей. Двигатели этого типа были довольно громоздкими и на практике не отличались высокими эксплуатационными качествами.
Все типы двухтактных двигателей с наддувом отличаются очень напряженным тепловым режимом работы; в первую очередь это относится к выпускным поршням и их поршневым кольцам, которые нередко получают повреждения вследствие интенсивного неравномерного нагрева. Кроме того, компрессорные двухтактные двигатели отличаются большим расходом горючего.
После запрещения в 1946 г. ФИМ использования наддува в двигателях мотоциклов для дорожных гонок разработка двухтактных двигателей с таким принципом питания практически прекратилась. Можно не сомневаться в том, что дальнейшее развитие двухтактных двигателей с наддувом могло бы дать существенное повышение мощностных показателей, но поскольку при стремлении к высоким литровым мощностям (обусловленном классификацией мотоциклов по рабочему объему двигателя) сочетание двухтактного принципа работы с наддувом неизбежно сопровождалось резким повышением удельных расходов топлива, рассматриваемое направление развития имело в основном спортивное, а не техническое значение. Перспективным путем формирования двухтактных двигателей без повышения удельных расходов топлива является непосредственный впрыск топлива в цилиндр, так как при этом в процессе продувки могут иметь место только потери воздуха.

Источник: В.В.Бекман. Гоночные мотоциклы, 1983г.

Источник