2.8. Методы форсирования двигателей

Степень форсированности оценивают по литровой мощности. Двигатели, имеющие высокие значения N_л, называют фор­сированными.

Под форсированием двигателя понимают комплекс технических мероприятий, способствующих повы­шению литровой мощности. Возможные способы форсирования двигателей следуют из выражения

N_л = N_e / i · V_h = p_e · n / (30 τ).

Из формулы следует, что литровая мощность увеличивается с увеличением номинальной частоты вращения n, среднего эффективного давления р_е или при применении двухтактного рабочего процесса. Увеличение литровой мощности посредством повышения n широко используется в карбюраторных двигателях со­временных моделей, у которых n достигает 6500 мин ^-1 и выше.

Номи­нальная частота вращения дизелей грузовых автомобилей, как правило, не превышает 2600 мин ^-1. По этой причине литровая мощность дизелей без наддува находится в пределах 12…15 кВт/л и существенно уступает аналогичному показателю карбюраторных двигателей, имеющих N_л = 20...50 кВт/л. В настоящее время появляется все большее количество дизелей с номинальной частотой вращения n = 4500...5500 мин ^-1 и литровой мощностью до 20 кВт/л.

Для карбюраторных двигателей форсирование по частоте вращения является одним из основ­ных способов повышения литровой мощности, в отличие от дизелей, для которых этот способ менее харак­терен.

Литровая мощность должна увеличиваться в два раза при переходе с четырехтактного рабочего цикла на двухтактный. В действительности же при этом N_л увеличивается всего лишь в 1,5...1,7 раза вследствие использования лишь части рабо­чего объема на процессы газообмена и вследствие снижения качества очист­ки и наполнения цилиндров, а также в результате дополнитель­ных затрат энергии на привод продувочного насоса.

Большая (на 50...70%) литровая мощность — существенное достоинство двухтактного двигателя, но недоиспользование части рабочего объема цилиндра для получения индикаторной работы приводит к тому, что они имеют заметно более низкие энергоэкономические показатели, чем аналогичные четырехтакт­ные двигатели.

Недостатки двухтактных ДВС:

сравните­льно большая тепловую напряженность элементов цилиндропоршневой группы из-за более кратковременного протекания про­цессов газообмена и, следовательно, меньшего теплоотвода от деталей, формирующих камеру сгорания;

больший теплоподвод в единицу времени, что объясняется вдвое более частым следованием процессов сгорания;

потеря части горючей смеси в период продувки цилиндра, что значительно снижает их экономичность.

Особое место занимает форсирование двигателей по среднему эффективному давлению р_е. При этом существенного увеличения N_л удается достигнуть лишь при увеличении тепловой нагруженности рабочего цикла путем подвода к рабочему телу большего количества теплоты. Однако при подаче в цилиндр большего количества топлива (возрастание цикловой подачи q_ц), необходимого для этого, требует для его полного сжигания и большего количества оки­слителя. На практике это реализуется увеличением количества свежего заряда, нагнетаемого в цилиндр дви­гателя под давлением.

Этот способ носит название над­дува двигателя. При этом р_е возраста­ет практически пропорционально уве­личению плотности свежего заряда. На рис. 2.8 изображена схема двигателя с наддувом и механическим приводом компрессора от коленчато­го вала.

Рис.2.8. Схема наддува двигателя с приводным компрессором

Однако при такой системе наддува суще­ственно снижается эко­номичность двигателя, что обусловлено необхо­димостью затрат энер­гии на привод компрес­сора. Наибольшее рас­пространение в практи­ке современного двигателестроения получил газотурбинный наддув, схема которого показана на рис. 2.9. Здесь для привода центробежного компрессора используется энергия отработавших газов, срабатываемая в газовой турбине, конструктивно объединенной с комп­рессором в единый агрегат - турбокомпрес­сор.

Рис.2.9. Схема турбонаддува

Из-за отсутствия при газотурбинном наддуве механи­ческой связи агрегата наддува с коленчатым валом двигателя, заметно ухудшаются тяговые характеристики и при­емистость двигателя. Это связано с инерционностью системы роторов турбокомпрессора, а также с уменьшением энергии отработавших газов при малых нагрузках, в связи с чем, особенно в начале разгона, не обеспечивается подача в цилиндр нужного количества свежего заряда. Эти недостатки можно преодолеть использованием комбинированного наддува. Систе­ма комбинированного наддува выполняется в различных конст­руктивных вариантах и обычно представляет собой определен­ные комбинации газотур­бинного наддува и наддува с приводным компрессором.