Система воздухоснабжения двигателя

Система воздухоснабжения двигателя

1. Система воздухоснабжения Назначение и состав системы Система воздухоснабжения предназначена для подачи воздуха, необходимого для сгорания топлива и продувки цилиндра, в определенном количестве и с заданными параметрами.

Система воздухоснабжения состоит из компрессоров, теплообменников, ресиверов, воздуховодов, глушителей шума. Компрессоры предназначены для повышения плотности воздуха за счет сжатия и перемещения сжатого воздуха. В теплообменниках плотность воздуха изменяется за счет изменения его температуры. Коллектор служит для равномерного распределения воздуха по всем цилиндрам двигателя. Глушители снижают уровень шума системы воздухоснабжения.

Классификация систем Системы воздухоснабжения классифицируют по следующим признакам:

— по числу ступеней сжатия воздуха — одноступенчатые, многоступенчатые и без предварительного сжатия воздуха. В одноступенчатой системе воздух, поступающий из окружающей среды, сжимается однократно в одноступенчатом компрессоре. В многоступенчатой системе воздух сжимается несколько раз, переходя из одной ступени сжатия в следующую. В настоящее время число последовательно включенных ступеней сжатия не превышает двух, т. е. системы являются двухступенчатыми. В четырехтактных двигателях без наддува компрессоры отсутствуют. Их системы воздухоснабжения работают без сжатия воздуха благодаря всасывающему действию поршней двигателя.

— по числу компрессоров — бескомпрессорные, одно-компрессорные и многокомпрессорные. В однокомпрессорных системах воздух подается во все цилиндры от одного компрессора. В многокомпрессорных системах с одноступенчатым сжатием все компрессоры соединены параллельно. В многокомпрессорных системах с двухступенчатым сжатием при наличии двух компрессоров они соединяются последовательно, а при числе компрессоров более двух их объединение может быть различным;

по назначению и числу теплообменников — с охладителями и подогревателями воздуха. Иногда устанавливают обратимые теплообменники — аппараты, которые в зависимости от потребности двигателя используются и как охладители, и как подогреватели. Охладители наддувочного воздуха в зависимости от места установки в системе могут быть концевыми или промежуточными. Охладитель, установленный в системе после всех ступеней сжатия, т. е. охлаждающий воздух перед его непосредственным поступлением в цилиндр, называется концевым, а установленный между ступенями сжатия — промежуточным. Система с промежуточным и концевым охладителями называется системой с комбинированным охлаждением наддувочного воздуха;

по способу поддержания параметров воздуха, поступающего в цилиндр, — нерегулируемые и регулируемые. В двигателях с нерегулируемыми системами воздухоснаб-жения параметры наддувочного воздуха изменяются самопроизвольно, с изменением внешних условий или режима работы двигателя. Регулируемая система с помощью специальных устройств поддерживает постоянное значение какого-либо параметра воздуха (температура, давление, количество воздуха, поступающего в цилиндр) или изменяет его по заданному закону.

Схемы систем Схема нерегулируемой двухступенчатой системы воздухоснабжения с комбинированным охлаждением воздуха показана на рис. 1. Компрессор первой ступени сжатия 9 всасывает воздух из окружающей среды, сжимает его и подает по воздуховоду 8 на промежуточный охладитель 7. Уплотненный воздух поступает в компрессор второй ступени сжатия 6, который еще раз его сжимает и направляет через концевой охладитель 5 в коллектор 4, откуда по каналу 3 воздух поступает в цилиндр двигателя.

Если в схеме отсутствует охладитель 7, то получается двухступенчатая система с концевым охлаждением, а если отсутствует охладитель 5, то двухступенчатая система с промежуточным охлаждением. При отсутствии компрессора 9 и охладителя 7 система становится одноступенчатой с охлаждением наддувочного воздуха. В случае отсутствия компрессоров 9 и 6, охладителей 7 и 5, а также воздуховодов 8 система превращается в систему воздухоснабжения четырехтактного двигателя без наддува. В двухтактных двигателях часто предусматривают дополнительный компрессор 1, который подает воздух через невозвратный клапан 2 в аварийных случаях или в период пуска двигателя и при работе на малых нагрузках.

На рис. 2 представлена принципиальная схема системы воздухоснабжения с регулированием давления и температуры наддувочного воздуха. Основной компрессор 7, работающий в режиме, зависящем от режима работы двигателя, подает воздух во вспомогательный компрессор 6, который благодаря автоматически регулируемому приводу обеспечивает оптимальное значение давления воздуха.

Рис. 1. Схема нерегулируемой системы воздухоснабжения Сжатый воздух через распределитель 5 поступает на «холодный» охладитель 4, омываемый забортной водой, и на «горячий» теплообменник 3, в который подается горячая пресная вода из внутреннего контура системы охлаждения.

Рис. 2. Схема регулируемой системы воздухоснабжения В зависимости от внешних условий и режима работы двигателя распределитель 5 направляет на теплообменники разное количество воздуха, чем обеспечивается оптимизация его температуры перед поступлением в цилиндр 1 через коллектор 2.

Элементы системы В системах воздухоснабжения используются центробежные, поршневые и роторно-лопастные компрессоры. Компоновка их на основе двигателя и способы привода в движение разнообразны. На рис. 3 показаны распространенные компоновки системы воздухоснабжения двигателя.

Центробежные компрессоры чаще всего используются в агрегатах газотурбинного наддува, когда приводом компрессора является газовая турбина. Иногда такие компрессоры применяют в двухтактных двигателях в качестве продувочных компрессоров, а также в двигателях с так называемым механическим и комбинированным наддувом, т. е. с механическим приводом компрессора от коленчатого вала.

Поршневые и роторно-лопастные компрессоры используются в качестве продувочных на двухтактных двигателях и приводятся в движение от коленчатого вала. Часто эти компрессоры применяются в качестве второй ступени сжатия в системах воздухоснабжения двухтактных двигателей с наддувом. В этом случае первой ступенью сжатия является центробежный компрессор агрегата наддува — турбокомпрессор. В качестве поршневого компрессора нередко используются поршень и подпоршневая полость крейцкопфного двухтактного двигателя.

В нерегулируемых системах теплообменники охлаждают воздух, т. е. являются охладителями. В системах с регулированием температуры наддувочного воздуха кроме охладителей могут быть подогреватели или на некоторых режимах работы двигателей охладители могут использоваться в качестве подогревателей.

Рис. 3. Компоновка системы воздухоснабжения сбоку двигателя (а) и на торце (б)

1 — двигатель; 2 — турбокомпрессор; 3 — диффузорный патрубок; 4 — охладитель; 5 — клапанная коробка; 6 — вспомогательный электрокомпрессор; 7 — ресивер; 8 — подпоршневой компрессор В системах воздухоснабжения применяются рекуперативный и рекуперативно-расширительный способы охлаждения воздуха. В рекуперативных охладителях теплота от нагретого при сжатии в компрессоре воздуха отводится к охлаждающей, среде через разделяющую их стенку. При рекуперативно-расширитель-ном способе воздух вначале охлаждается в теплообменнике рекуперативного типа, а затем — при расширении его — в турбодетандере (воздушной турбине) или непосредственно в рабочем цилиндре двигателя.

В рекуперативных охладителях жидкость движется по каналам (трубкам), а охлаждаемый воздух — между каналами. Поскольку коэффициент теплоотдачи от воздуха к стенке намного (в несколько десятков раз) меньше, чем коэффициент теплоотдачи от стенки к воде, то поверхность, омываемая воздухом, должна быть значительно больше внутренней поверхности канала (трубки). Поэтому в охладителях наддувочного воздуха используют трубки с ребрами на наружной поверхности. В качестве ребер могут быть использованы отдельные пластины, прикрепленные к трубкам или плотно к ним прилегающие (рис. 4).

Рис. 4. Виды теплообменной поверхности:

а — ребристо-трубчатая в виде шахматного пучка круглых труб с оребрением; б — трубчато-пластинчатая из плоскоовальных труб 2 со сплошным поперечным оребрением пластинами 1; в — пластинчатая в виде пакета гладких профильных пластин с овальными выступами.

В связи с тем, что в охладителях наблюдается конденсация влаги из воздуха, за охладителями часто устанавливают влагоотделители в виде гофрированных пластин.

Ресиверы в зависимости от особенностей компоновки двигателя могут быть либо выносными (автономными), либо встроенными. В последнем случае в качестве воздушных емкостей используются замкнутые полости, образованные элементами остова двигателя, в частности полость в развале между цилиндрами V-образного двигателя.

автомобильный воздухоснабжение газоотвод сгорание

2. Система газоотвода Назначение и состав системы Система газоотвода (газовыпуска) обеспечивает наиболее рациональный отвод отработавших в цилиндре газов. Под рациональным отводом понимается такая организация газовыпуска, которая способствует максимальному использованию энергии рабочего тела как в цилиндре двигателя, так и вне его, а также качественной очистке и наполнению цилиндров. Кроме того, необходимо обеспечить минимальное по вредности воздействие на окружающую среду отработавших газов.

Система газоотвода состоит из выпускных коллекторов, утилизационных газовых турбин, утилизационных котлов, глушителей шума, газоводов (трубопроводов).

Выпускные коллекторы предназначены для отвода из цилиндров отработавших газов с максимально возможным сохранением их энергии. При этом они должны способствовать очистке цилиндров от остаточных газов. Утилизационные газовые турбины преобразуют механическую энергию отработавших в цилиндрах газов в крутящий момент, утилизационные котлы — тепловую энергию отработавших газов в энергию пара (воды). Глушители шума предназначены для снижения вредного звукового воздействия отработавших газов на окружающую среду.

Классификация систем. Системы газоотвода классифицируют по следующим признакам:

по глубине утилизации тепла — без утилизации теплоты, с умеренной утилизацией теплоты и с глубокой утилизацией теплоты. В системах без утилизации теплоты отработавшие в цилиндрах газы отводятся в окружающую среду без предварительного протекания через специальные устройства — утилизаторы. В системах с умеренной утилизацией теплоты механическая энергия отработавших в цилиндрах газов используется в газовых турбинах. В системах с глубокой утилизацией теплоты как механическая, так и тепловая энергия отработавших в цилиндрах газов используется в утилизаторах;

по особенностям движения газа в коллекторе — изобарные, импульсные и комбинированные. В изобарных системах давление газов в коллекторе при работе двигателя на установившемся режиме практически постоянно, в импульсных— переменно и зависит от числа цилиндров из которых отводятся газы в один коллектор. Для комбинированных систем характерны переменное давление газа в коллекторе и выравнивание его перед турбиной.

Схемы систем Схема импульсной системы газоотвода с глубокой утилизацией теплоты приведена на рис. 5.

Отработавшие в цилиндрах двигателя 1 газы поступают в коллектор малого объема 2, затем в утилизационную газовую турбину 3, преобразующую скорость и давление газов в крутящий момент. Из турбины 3 газы поступают в утилизационный котел 4, где тепловая энергия газов преобразуется в энергию водяного пара. Далее газы попадают в глушитель шума 5 и наконец в атмосферу.

В системах газоотвода вспомогательных двигателей утилизатор 4 часто отсутствует, на маломощных двигателях может отсутствовать и турбина 3.

Элементы системы Выпускные коллекторы подразделяются на однотрубные и многотрубные, охлаждаемые, изолированные, изолированные с охлаждаемым или неохлаждаемым кожухом. На рис. 6 приведены схемы неохлаждаемых выпускных коллекторов. В многотрубных коллекторах число труб зависит от числа цилиндров — в одну трубу направляются выпускные газы из двух-трех цилиндров. Для сохранения высокой скорости газов многотрубные коллекторы выполняются с малым объемом (рис. 6, а). Однотрубные коллекторы имеют большой объем. Для уменьшения потери энергии при перетекании газов из цилиндра в коллектор патрубки часто выполняют в виде диффузорных каналов, продолжающихся иногда внутри трубы коллектора.

Утилизационные газовые турбины различают осевые и радиальные, одноступенчатые и многоступенчатые, изобарные и импульсные, силовые и наддувочные.

Силовые утилизационные турбины отдают вырабатываемую механическую энергию через передачу на коленчатый вал двигателя или другому потребителю. Наддувочные турбины затрачивают производимый крутящий момент на привод компрессоров агрегатов наддува. На рис. 7 показаны схемы подключения утилизационных турбин.

Рис. 5. Схема системы газоотвода Рис. 6. Конструктивные схемы: двухтрубного (а) и однотрубных (б, в) коллекторов: 1 — патрубок; 2 — труба; 3 — изоляция; 4 — кожух Утилизационные котлы, как правило, вырабатывают водяной пар, используемый на судне в различных целях. Иногда они служат для получения горячей воды или паров других жидкостей.

Глушители шума могут быть активного (поглотительного) или пассивного (расширительного) типа.

Газоводы (как и коллекторы) при работе двигателя расширяются от действия температуры отработавших газов, поэтому на их прямых участках устанавливают компенсаторы линзового (сильфонного) или поршневого типа.

Рис. 7. Схемы подключения турбин при равенстве мощностей турбины и компрессора (а) и при избытке энергии газов (б, в, г)

1 — двигатель; 2 — наддувочная турбина; 3 — компрессор; 4 — механическая передача; 5 — автоматическая муфта; 6 — наддувочная турбина с избыточной мощностью; 7 — электрогенератор; 8 — силовая турбина.