Doładowanie silników spalinowych
Zwiększanie mocy silnika spalinowego przez:
zwiększanie sprawności cieplnej,
zwiększanie natężenia wywiązywania ciepła:
–
zwiększanie prędkości obrotowej,
–
zwiększanie natężenia spalania paliwa dzięki:
•
zwiększaniu wielkości silnika – V
ss
,
•
zwiększaniu napełnienia –
ηηηη
v
.
2
n
V
p
τ
30
1
N
ss
e
e
⋅
⋅
⋅
⋅
=
a
v
e
t
f
e
L
W
p
ρ
⋅
η
⋅
λ
η
⋅
=
0
0,05
0,1
0,15
0,2
0,25
0,3
0,35
0,7 0,75 0,8 0,85 0,9 0,95
1
1,05 1,1 1,15 1,2 1,25 1,3 1,35
λλλλ
ηηηη
e
, η, η, η, η
e
/λ/λ/λ/λ
η
e
η
e
/
λ
3
Systemy doładowania silników spalinowych
Doładowanie sprężarką napędzaną mechanicznie.
Doładowanie turbosprężarką.
Doładowanie bezsprężarkowe:
–
rezonansowe,
–
typu Comprex.
4
Doładowanie sprężarką napędzaną
mechanicznie
Napęd sprężarki od wału korbowego.
5
6
Doładowanie turbosprężarką
Turbodoładowanie opatentowane w 1905 r. przez dra inż. Alfreda
Büchiego (Szwajcar, 1879 – 1959).
Zastosowanie w silnikach:
samochodów ciężarowych – 1938 r.,
samochodów osobowych – 1973 r.
7
Zespół
doładowujący:
turbina gazowa,
sprężarka,
przewody
i sterowanie
przepływu
z zaworami.
8
9
10
Prędkość turbiny zależy od:
prędkości obrotowej,
obciążenia.
Sprężarki:
wyporowe (dawniej),
dynamiczne (gł. promieniowe).
Prędkość obrotowa sprężarki promieniowej
(40000 ÷ 200000) obr/min.
Większa prędkość dla mniejszych sprężarek.
W zespole turbodoładowującym ze względu na bardzo dużą
prędkość obrotową łożyskowanie ślizgowe.
Dławienie wypływu spalin turbiną jest niewielkie (jak przez tłumik).
11
12
Systemy turbodoładowania
System stałego ciśnienia
Spaliny z każdego cylindra przepływają przez kolektor zbiorczy,
gdzie stabilizuje się ciśnienie. Energia kinetyczna spalin jest
wykorzystywana w doładowaniu w niewielkim stopniu.
System pulsacyjny – system Büchiego
Przewody wylotowe są doprowadzane do turbiny jak najkrótszą
drogą – wykorzystywana jest energia kinetyczna spalin.
13
Podstawowe zależności
Stopień doładowania
Względna zwiększenie znamionowej mocy użytecznej dzięki
doładowaniu
eN
d
eN
d
N
N
k
=
N
eN
– znamionowa moc użyteczna silnika niedoładowanego
N
eN d
– znamionowa moc użyteczna silnika doładowanego
Tzw. wysokie doładowanie: k
d
> 1,5.
14
Spręż
Stosunek ciśnienia czynnika za sprężarką – p
d
i ciśnienia czynnika
przed sprężarką – p
0
.
0
d
p
p
π
=
Współczynnik zwiększenia (stopień wzrostu) gęstości ładunku
T
∆
T
T
π
T
T
p
p
ρ
ρ
φ
0
0
d
0
0
d
0
d
d
+
⋅
=
⋅
=
=
∆∆∆∆
T – przyrost temperatury czynnika przy sprężaniu
15
Przyrost temperatury czynnika przy sprężaniu
iz
iz
η
T
∆
T
∆
=
ηηηη
iz
– sprawność izentropowa sprężarki
∆∆∆∆
T
iz
– przyrost temperatury przy sprężaniu izentropowym
Uwzględniając:
wartość stałej gazowej powietrza,
wartość wykładnika izentropy powietrza
(
)
1
π
T
T
∆
285
,
0
0
iz
−
⋅
=
16
ηηηη
iz
– sprawność izentropowa sprężarki
d
iz
iz
L
L
η
=
L
iz
– praca izentropowego sprężania
L
d
– praca zużyta do napędu sprężarki
8
,
0
55
,
0
η
iz
÷
=
Straty w sprężarce:
straty szczelności między wirnikiem i obudową,
straty tarcia.
Czym mniejsza sprężarka, tym większe są straty względne, czyli
mniejsza sprawność izentropowa.
17
Masa powietrza napełniającego cylindry
d
0
v
ss
d
v
ss
d
a
V
V
m
ϕ
⋅
ρ
⋅
η
⋅
=
ρ
⋅
η
⋅
=
d
v
d
a
m
ϕ
⋅
η
∝
( )
0
dn
n
d
d
>
ϕ
Zależność
ϕϕϕϕ
d
(n) jest rosnącą funkcją prędkości obrotowej.
W związku z tym zmniejsza się współczynnik elastyczności silnika.
Dodatkowo: pogarszają się właściwości silnika w warunkach
dynamicznych – opóźnianie doładowania w stosunku do sterowania
silnika przez operatora.
18
Modyfikacja charakterystyki prędkościowej silnika doładowanego
oraz poprawa właściwości silnika doładowanego w warunkach
dynamicznych:
zmiany faz rozrządu, zmienne fazy rozrządu,
dobór parametrów konstrukcyjnych turbiny i sprężarki –
– oddziaływanie na zależność
ηηηη
iz
(n),
zawory upustowe: spalin przed turbiną i powietrza za
sprężarką,
układy turbosprężarek o zmiennych kątach łopatek,
19
mieszane układy doładowania, przede wszystkim:
•
podwójne układy doładowujące: dwie turbosprężarki,
•
dodatkowe doładowanie mechaniczne,
•
dodatkowe doładowanie elektryczne – napęd sprężarki
silnikiem elektrycznym,
akumulatory sprężonego powietrza.
20
Podwójne doładowanie:
równoległe Twin Turbo,
szeregowe – Biturbo.
21
Zależność przyrostu temperatury przy sprężaniu izentropowym
od sprężu
22
Zależność przyrostu temperatury od sprężu dla różnych
sprawności izentropowych
23
Zależność strat przyrostu gęstości ładunku od sprężu
dla różnych sprawności izentropowych
24
Poprawa skuteczności doładowania silnika
Chłodzenie powietrza doładowującego – intercooler:
z naturalnym opływem powietrza, wymuszonym ruchem
samochodu,
z opływem powietrza wymuszonym wentylatorem,
z opływem wody,
z natryskiem wody na chłodnicę.
Skuteczność chłodzenia powietrza doładowującego – obniżenie
temperatury o (20 ÷ 80) K.
25
26
Doładowanie bezsprężarkowe typu Comprex
27
Zastosowanie doładowania wymaga:
zmiany faz rozrządu (przedmuch komory spalania – obniżenie
temperatury),
w wypadku tzw. wysokiego doładowania – chłodzenie powietrza
doładowującego,
w silnikach ZS zwiększenie współczynnika nadmiaru powietrza
(obniżenie maksymalnej temperatury obiegu),
zmniejszenie stopnia sprężania,
stosowanie paliw o dużej LO w silnikach ZI,
Maksymalne ciśnienia spalania:
silniki ZI: (6,5 ÷ 7,5) MPa,
silniki ZS: (10 ÷ 13) MPa.
28
Doładowanie dynamiczne (rezonansowe)
29
30
31
Mała prędkość obrotowa
Duża prędkość obrotowa