Заняття 11 Система живлення двигунів з газобалонними установками на стиснутому газі

1. Призначення, класифікація систем живлення двигуна з газобалонними установками.

2. Будова і робота складових елементів газобалонних установок на стиснутому газі.

3. Робота газобалонних установок на стиснутому газі.

1.

Автомобільне газобалонне обладнання - це газодозуюча система, установка яких дозволяє використовувати в якості автомобільного палива зріджений газ замість бензину. При цьому гбо (газобалонне обладнання) вбудовується в автомобіль додатково «поверх» бензинового і може використовуватися опціонально.

Основною метою використання газових палив є економія нафтових ресурсів, а також екологічні міркування. До газових палив відносяться пропан-бутанові суміші та природні (метанові) гази. Перші використовуються у скрапленому, другі – у скрапленому та стисненому (компримованому) вигляді.

До переваг газів відносяться широкі діапазони займистості суміші та високі октанові числа (2.3) (метан – 120, етан – 115, пропан – 112, бутан – 94). Крім того, покращуються деякі експлуатаційні показники (зменшуються викиди токсичних речовин, рівень шуму, збільшується пробіг до зміни масла). До недоліків відносяться зниження потужності ДВЗ, збільшення габаритів та маси паливної апаратури, утруднений пуск при низьких температурах.

Газові системи живлення діляться на три основні групи:

- двопаливні з іскровим запалюванням – система дозволяє працювати як на газовому, так і на рідкому паливі;

- однопаливні – система призначена лише для газового палива;

- газодизельні, у яких основним паливом є газ, а для запалювання використовується доза дизельного палива, що впорскується у циліндр наприкінці такту стиску.

До складу комплекту газобалонної апаратури, як правило, входять наступні основні елементи:

- бортова система зберігання палива (балони для газу, криогенні баки для скрапленого природного газу);

- засоби підготовки газу до подачі у двигун (редуктори, що знижують тиск газу,

підігрівник газу, фільтри тощо);

- пристрої подачі палива у циліндри (змішувачі, дозатори, форсунки);

- елементи системи керування та автоматики (мікропроцесорні системи, електромагнітні клапани, вентилі, перемикачі виду палива);

- контрольно-вимірювальні і запобіжні пристрої (покажчик запасу палива, датчики витоку газу, система звукової і візуальної сигналізації тощо);

- вузол заправлення палива (наповнювальні вентилі, крани);

- трубопроводи високого і низького тиску, їхні сполучні частини.

2.

Системи живлення компримованим природним газом

Природний газ як моторне паливо на автомобільному транспорті використовується і може бути використаний для таких типів двигунів і транспортних силових агрегатів:

1.Для бензинових двигунів з іскровим запалюванням, які дообладнані додатковою системою живлення КПГ. При цьому на автомобілі встановлюється додаткове газобалонне обладнання (ГБО), у результаті чого він стає двопаливним.

2.Для дизелів, які переобладнані для роботи за газодизельним циклом. У такому разі на автомобіль установлюється додаткове газодизельне (ГД) обладнання у комплекті з балонами для зберігання КПГ, у результаті чого автомобіль також стає двопаливним.

3.Для "чисто" газових двигунів з іскровим запалюванням, які створені на базі дизелів (з пониженням ступеня стиску і встановленням свічі запалювання). У цьому разі автомобіль може працювати тільки на КПГ.

4.Для перспективних транспортних силових агрегатів у поєднанні з паливними елементами, в яких природний газ використовується як водневмісне паливо.

Системи живлення КПГ (рис. 13.8) за величиною тиску можуть бути середнього тиску (до

5,0 МПа) і високого тиску (до 20 МПа). Газобалонна установка може мати до 10 балонів. Газодизелі. Конструкція дизеля, яка розрахована на високі навантаження і тиск, може бути з успіхом використана для створення високоефективного газового двигуна. На сьогодні найбільшого поширення набули два способи переобладнання дизелів для роботи на газовому паливі:

- переобладнання дизелів у "чисто" газові двигуни з іскровим запалюванням.

- переобладнання дизелів для роботи за газодизельним циклом.

Якщо в першому випадку у конструкцію двигуна вносяться істотні зміни (знижується ступінь стиску, установлюються додаткові системи запалювання, живлення і регулювання подачі газового палива), то у другому випадку дизель дообладнується лише додатковою системою живлення і регулювання подачі газового палива.

Особливістю газодизельного циклу є те, що температура самозапалювання газу вища за температуру самозапалювання дизельного палива, а оскільки температура у циліндрі двигуна наприкінці такту стиснення нижча за температуру самозапалювання газоповітряної суміші, то для її надійного запалювання необхідно впорскувати в циліндри газодизеля так звану "запальну дозу" дизельного палива.

Основною перевагою газодизелів є те, що вони без зниження потужності можуть працювати як за дизельним циклом (лише на дизельному паливі), так і за газодизельним циклом (на природному газі і дизельному паливі). При цьому величина "запальної дози" дизельного палива може коливатися в межах від 5÷7% до 30% від номінальної витрати палива. Слід відзначити, що для надійного запалювання газоповітряної суміші, яка міститься в циліндрах газодизеля, достатньо 5÷7% величини "запальної дози" на усіх швидкісних і навантажувальних режимах. Однак досягти таких значень "запальної дози", не змінюючи конструкції паливної апаратури (ПА), неможливо. Якщо в конструкцію паливної апаратури вносять зміни (зменшують діаметр і/чи хід плунжерів ПНВТ, зменшують площу прохідних отворів форсунок і/чи їхню кількість), то це призводить до того, що газодизель при роботі за дизельним циклом втрачає до

25÷40% потужності.

У зв'язку з цим на транспортних газодизелях, які установлюють на вантажні автомобілі та автобуси, "запальна доза" дизельного палива коливається в межах від 15÷20% до 25÷30%. Такі значення величини "запальної дози" не потребують внесення змін у конструкцію паливної апаратури. Регулювати ПА на більш низькі значення "запальної дози" не рекомендується,

оскільки це може призвести до пропусків подачі палива по секціях ПНВТ і погіршити охолодження розпилювачів форсунок.

Суттєвий вплив на енергетичні та екологічні показники роботи газодизеля має вибір способу регулювання його потужності. До них належать:

- якісний спосіб регулювання, при якому, керуючи газовою заслінкою, змінюють кількість газу, що подається в газоповітряний змішувач, змінюючи якість газоповітряної суміші;

- кількісний спосіб регулювання, при якому, керуючи газоповітряною заслінкою, встановленою за газоповітряним змішувачем, змінюють кількість газоповітряної суміші, яка подається в циліндри газодизеля;

- змішаний спосіб регулювання, при якому, керуючи газовою і повітряною заслінками,

регулюють кількість газу і повітря, які подаються до газоповітряного змішувача;

- змішаний спосіб регулювання, при якому, керуючи газовою заслінкою, регулюють кількість газу, що подається до газоповітряного змішувача, а керуючи газоповітряною заслінкою, регулюють кількість газоповітряної суміші, котра подається в циліндри газодизеля.

На практиці використовують різні способи регулювання потужності газодизеля, але найбільш поширений якісний спосіб як найпростіший.

Газові ДВЗ на базі дизелів. Основна відмінність газового ДВЗ від дизельного полягає у повній заміні однієї системи живлення на іншу і змінах у конструкції двигуна. Основна конструктивна особливість газового двигуна – заміна дизельних форсунок свічами запалювання й доробка поршнів і головок блоку циліндрів з метою зменшення ступеня стиску до 12-13.

При цьому залежно від конструктивних особливостей двигунів і, у першу чергу, наявності турбокомпресора розрізняються і робочі процеси у газовому двигуні. Безнаддувні двигуни, як правило, працюють на стехіометричних сумішах, а двигуни з турбонаддувом в основному працюють на збіднених сумішах.

У газовому двигуні з іскровим запалюванням, що працює за концепцією«стехіометричного складу суміші», досягається досить висока питома потужність. Однак у порівнянні з дизелем, у газовому двигуні, що працює на «бідних складах суміші», істотно підвищуються теплові навантаження на деталі двигуна, що приводить до необхідності вдосконалення конструкції і матеріалів ряду деталей базового дизеля. Одночасно із цим значно зростає зміст оксидів азоту у відпрацьованих газах, для зниження яких «стехіометричні» газові двигуни в обов'язковому порядку комплектуються трикомпонентними нейтралізаторами.

У газовому двигуні, що працює на бідних складах суміші, рівень теплових навантажень на основні деталі двигуна не перевищує рівня теплових навантажень базового дизеля, а на деяких режимах (αсум = 1,5÷1,7 на режимах повного навантаження)) навіть виявляються трохи нижче. Для забезпечення керування подачею газового палива у газових двигунах автобусів використаються різні за принципом системи, які за конструктивною складністю можна умовно розділити на чотири покоління за аналогією із класифікацією газобалонного устаткування для бензинових ДВЗ, переобладнаних для роботи на газі. Основною ознакою розподілу виступає спосіб дозування і подачі газового палива у циліндри двигуна.

3. Системи живлення скрапленим нафтовим газом

Скраплені вуглеводневі гази (пропан-бутан) (СНГ або LPG) застосовуються як паливо давно. Розвиток газових систем відбувався повільніше за бензинові системи.

Зараз розрізняють п'ять поколінь газових систем для автомобілів. Перше покоління (рис. 13.2) – механічна система, має газовий редуктор з вакуумним блокуванням (керуванням) і ежекторною системою подачі палива (паливо подається у двигун зарахунок розрідження, що створює поршень). Інші компоненти цієї системи, такі як балон, мультиклапан, газовий і бензиновий клапани, змішувач, перемикач збереглися й у другому поколінні. Системи першого покоління застосовуються в основному на карбюраторних автомобілях. Газ знаходиться у баці під тиском до 1,6 МПа.

Друге покоління (рис. 13.3) має електронне блокування редуктора електроклапаном при вимиканні запалювання від блоку керування, який часто містить у собі функцію автоматичного перемикання з бензину на газ по досягненні заданої кількості обертів. Ці системи можуть застосовуватися на автомобілях, що оснащені системами впорскування бензину. До вже відомих по першому поколінню компонентів додаються: емулятори (симулюють роботу приладів, які відключені при роботі на газі, форсунки, лямбда-зонд, датчик абсолютного тиску тощо), контролер (вибудовує якість суміші на газі за показниками лямбда-зонда) і різні протихлопкові прилади. Емулятор форсунок використовується замість бензоклапана для відсікання подачі бензину. Коли подається газ, цей емулятор імітує роботу бензинових форсунок, щоб штатний комп'ютер не перейшов в аварійний режим. З цієї ж причини потрібно встановлювати емулятор лямбда-зонда.

Перевага систем першого і другого поколінь полягає насамперед у їхній невисокій вартості, основний недолік – висока імовірність виникнення зворотних ударів, здатних вивести з ладу деякі компоненти систем бензинового керування (наприклад, витратомірів повітря). А на автомобілях із пластиковими колекторами і до розриву колектора. При роботі двигуна на цих системах вважається нормальним втрата потужності до 20%, а також збільшення витрати палива на 20%. Третє покоління (рис. 13.4) – багатоточкове синхронне впорскування газу. Принцип роботи близький до роботи К-Jetronic: редуктор знижує тиск газу приблизно до 1 бар, дозатор- розподільник відміряє порцію палива і шлангами підводить його до кожного циліндра поблизу бензинової форсунки. Керує роботою розподільника блок керування, який одержує сигнали як від своїх датчиків, так і від датчиків бензинової системи. При відключенні форсунок доводиться користуватися емуляторами. Четверте покоління (рис. 13.5) – послідовне впорскування газу з регулюванням кількості палива електричними форсунками (5.9) (сигнал виходить від блоку керування впорскуванням бензину). Цей сигнал побудований на підставі усіх датчиків: масової витрати повітря, температури, абсолютного тиску, лямбда-зонду. Проходячи через блок керування газової системи, сигнал може змінюватися, у такий спосіб здійснюється регулювання якості суміші. Використовують на ДВЗ з впорскуванням бензину і турбонаддувом. Витрата газу зростає на

5÷10% у порівнянні з витратою бензину, а падіння потужності практично непомітно. П'яте покоління – система, що максимально наближена до впорскування бензину. Впорскування газу відбувається вже у рідкій фазі, що дозволяє найбільше точно готовити суміш. Випарник у цих системах відсутній, зате у балоні встановлюється насос, що не дає утворюватися паровій фазі. Принцип керування залишився тим же, що й у четвертому поколінні, втрата потужності відсутня, а у зоні високих обертів потужність збільшується за рахунок того, що газ, випаровуючись, охолоджує циліндр. Система п'ятого покоління випускається фірмою Vialle, її застосування стримується високою ціною.

Газ під тиском надходить із балона через клапан у газову магістраль високого тиску. Магістраллю газ у рідкій фазі попадає в газовий фільтр, у якому очищується від суспензій і смолистих відкладень. Далі газ трубопроводом надходить у редуктор-випарник, де тиск газу знижується до атмосферного. Інтенсивно випаровуючись, газ охолоджує редуктор, тому останній приєднується до системи охолодження двигуна. Під дією розрідження у впускному колекторі двигуна газ із редуктора шлангом низького тиску через дозатор надходить у змішувач або у форсунки. Іноді замість установки змішувача виконується безпосереднє урізання газових штуцерів у карбюратор. Керування режимами роботи (на газі або на бензині) здійснюється за допомогою перемикача видів палива. Системи першого і другого поколінь мають ряд недоліків і не відповідають стандартам ЄЕК ООН. Токсичність газів автомобілів з такими системами, як правило, перебуває на рівні норм Euro-1, які діяли у Європі до 1996 року, і лише в окремих випадках наближаються до норм Euro-2.

Системи з розподіленим впорскуванням газу конструктивно складніше і дорожче. Разом із цим, у порівнянні з механічними системами, вони мають ряд переваг:

- точне дозування подачі газу;

- менша витрата палива;

- зниження потужності двигуна тільки на 2÷3% (у систем 1-2 поколінь – 5÷7%);

- зниження токсичності газів до норм Euro-3 і Euro-4;

- відсутність режимів збідніння суміші, які приводять до різкого підвищення температури впускних і випускних клапанів і виходу їх з ладу;

- виключення «ударів» – ефект, який виникає при запаленні паливної суміші у впускному колекторі, що руйнує датчики масової витрати повітря, корпуса повітряних фільтрів і інші елементи.

Розвиток нових газових систем до останнього часу стримувався низькою надійністю форсунок. Суть проблеми складалася в забезпеченні впорскування необхідної кількості газу у плині 2,5÷3,5 мс. Плунжерні форсунки через їх велику інерційність не забезпечували такої швидкості і працювали ненадійно.

Зараз у електромагнітних форсунках використаються три види замикальних елементів: плоский, конусний, сферичний. Форсунки можна класифікувати за типом матеріалів замикальних елементів:

- метал-метал,

- метал-витон,

- пластика-гума.

У таблиці 13.1 представлено список основних фірм-виробників газового устаткування, які розробили свої системи послідовного розподіленого упорскування газу і використають у них електромагнітні форсунки. Як правило, фірми, що виробляють газові системи, використовують деталі і вузли, які випускаються сторонніми виробниками, що розташовані як у Європі, так і поза нею (Франція, Люксембург, Італія, Китай, Тайвань тощо). Така тактика дозволяє гнучко підходити до вибору деталей і знизити загальну вартість системи.

Поряд з виробництвом газових систем живлення для автовиробників, ряд фірм випускає газове устаткування для вторинного ринку. Воно, в основному, використається для дооснащення діючого парку, що здійснюють різні спеціалізовані фірми і підприємства автосервісу. У Європі для цього використовують в основному системи третього і четвертого покоління.

У цей час у країнах СНД серійно виробляється устаткування першого покоління і частина компонентів другого. З'явилися експериментальні зразки систем третього покоління. Поряд із цим, імпортується велика кількість іноземного газового устаткування. В основному це дешеві італійські системи першого і другого поколінь. Системи третього і четвертого покоління представлені голландськими виробниками, причому найчастіше мова йде про системи, що завезені разом з автомобілями.

За європейськими нормами, усі компоненти газової системи живлення, що перебувають під тиском, повинні відповідати стандарту 67R-01.

Висока вартість газових систем розподіленого упорскування обмежує рівень їхніх продажів у країнах СНД. Слід також зазначити, що деякі вузли і компоненти європейських виробників абсолютно непридатні для застосування у країнах СНД через недостатню якість вітчизняного СНГ

Заняття 13 Наддув двигунів внутрішнього згорання

1. Призначення, класифікація наддуву двигуна внутрішнього згорання.

2. Призначення, характеристика, будова та робота турбокомпресорів.

1. Система наддуву призначена для підвищення потужності двигуна шляхом збільшення масового наповнення циліндрів повітрям.

Для збільшення кількості повітря, що потрапляє у циліндри, його подають примусово нагнітачем. За типом систем розрізняють:

- динамічний наддув, у яких підвищення тиску досягають використанням хвильових властивостей газів;

- механічний наддув з нагнітачем, що має механічний привод;

- турбонаддув з нагнітачем, що працює від енергії відпрацьованих газів.

Динамічний наддув

У цій системі нагнітача як такого немає. Для підвищення наповнення використовують хвильові явища, що виникають у впускній системі внаслідок періодичного відкриття-закриття клапанів. Періодичність руху поршня і відкриття клапанів породжують у впускному трубопроводі коливання тиску газів. При відкритті впускного клапана у зоні горловини виникає хвиля розрідження, що зі швидкістю звуку поширюється до відкритого кінця трубопроводу, де впливає на повітряний потік. Внаслідок цього у вхідному перетині трубопроводу виникає хвиля тиску, що рухається до клапана. Характер коливання тиску у впускному трубопроводі (у зоні впускного клапана) має хвилеподібний вигляд. При цьому підвищений тиск у впускного клапана досягається наприкінці процесу впуску безпосередньо перед закриттям клапана. У результаті підвищується перепад між тиском у впускному трубопроводі і тиском у циліндрі, що підвищує ефект дозарядки циліндра свіжим зарядом. Існують два основних типи динамічного наддуву:

Резонансний наддув. При цьому підвищують амплітуду коливання тисків у впускному трубопроводі шляхом настроювання системи впуску на явище резонансу, тобто, на збіг або на кратність частот вільних і змушених коливань тиску у впускному трубопроводі. Настроювання системи здійснюється шляхом підбора діаметра і довжин впускних трубопроводів, а також установкою резонансних порожнин у багатоциліндрових двигунах (рис.1, а). При цьому ефект поліпшення наповнення реалізується в обмеженому діапазоні частот обертання вала двигуна.

У багатоциліндрових двигунах при настроюванні системи впуску до кожного каналу від резонансної порожнини підводить окрема труба певної довжини, щоб газодинамічні явища у ній не порушувалися подібними явищами в трубопроводах сусідніх циліндрів. Оскільки тривалість такту впуску становить 180° ПКВ (для чотиритактних двигунів), то до однієї резонансної порожнини можна підключати тільки ті циліндри, у яких такти впуску чергуються не менш, ніж через 180° ПКВ. Для настроювання таких систем на декілька режимів роботи встановлюють перемикальну заслінку (рис. 1, б), яка забезпечує велику довжину каналу на малій частоті і короткий канал.– на великій частоті.

Інерційний наддув. При цьому способі використовують окремі впускні трубопроводи певної довжини (рис. 2). Ефект наддуву залежить від геометрії елементів впускного трубопроводу і частоти обертання колінчастого вала. Довжина і діаметр окремих резонаторних трубок погоджуються з фазами газорозподілу таким чином, щоб у необхідному діапазоні обертів колінчастого вала хвиля стиску, що відбивається на кінці резонаторної трубки, повернулася через відкритий впускний клапан циліндра, тим самим забезпечуючи краще наповнення циліндра. Довгі тонкі резонаторні трубки дають більший ефект інерційного наддуву при низькій частоті обертання колінчатого вала. Короткі широкі резонаторні рубання сприяють одержанню кращої характеристики крутного моменту у діапазоні високих обертів колінчастого вала.

У двигунах з двома впускними клапанами на циліндр можливе застосування двох впускних трубопроводів різної довжини. Для настроювання такої системи на декілька режимів роботи використовують трубопроводи з різними параметрами каналів, переключення між якими здійснюється заслінкою Такі системи називаються системами впускного трубопроводу зі змінюваною геометрією, коли, залежно від робочого режиму двигуна, за допомогою спеціальних заслінок можна робити:

- регулювання довжини резонаторних впускних трубок;

- зміну довжини або діаметра резонаторних трубок;

- на вибір – відключення однієї окремої впускної трубки на циліндр із системи декількох трубок;

- зміну об’ємів ресиверів.

Конструктивних засобів реалізації системи багато, деякі з варіантів зображені на рис. 6 - 9. Механічний наддув

При механічному наддуві нагнітач (Supercharger, Kompressor) приводиться у дію від ДВЗ.

Нагнітачі можуть бути об’ємними або відцентровими.

Керування тиском наддуву може бути здійсненим за допомогою байпасного клапана, який перепускає частину повітря на вхід нагнітача.

Відцентровий нагнітач (Centrifugal Supercharger) за принципом дії подібний турбокомпресору. Для створення необхідного тиску потрібні високі швидкості обертання компресора. Для цього використовують привод з передаточним відношенням 2:1 і планетарний редуктор з передаточним відношенням 15:1. Крім того, привод часто роблять зі змінним передаточним відношенням (рис. 11). Галузь використання таких нагнітачів обмежена дизелями середнього і великого об’ємів та бензиновими ДВЗ для легкових автомобілів. Об’ємні нагнітачі.

До нагнітачів із внутрішнім стисненням відносяться поршневі і мембранні нагнітачі (рис. 12). Вони використовуються у дизельних ДВЗ. Гвинтовий нагнітач. Його ще називають компресором типу „Лісхольм” (Lysholm, автор ідеї – німецький інженер Кригар у кінці ХІХ ст., шведський інженер Алф Лісхольм наприкінці 30-х років ХХ ст. пристосував конструкцію для автомобільного ДВЗ. Повітря стискають дві лопати, що мають форму гвинта та обертаються назустріч один одному (рис. 13). Масово використовуються фірмою Mercedes-Benz. Роторний нагнітач типу „Рутс” (Roots, розроблений Френсісом Рутсом у 1860 р.) (рис. 14-15). Основу утворюють обертальні ротори, що приводяться шестернями та рухаються один назустріч одному. Ротори можуть бути дволопатевими (фірм B&M і Weiand) і трилопатевими (фірм General Motors, Weiand, BPS, Hempton Kuhl, Littlefield, Dyer, Mooneyham). Цей нагнітач є найпоширенішим серед механічних нагнітачів.

Нагнітач із ковзними лопатками (Zoller) (рис. 16) має ексцентрично встановлений ротор, що діє на три змонтовані по центру ковзні лопатки, що забезпечують стиск повітря. Тиск повітря керується зміною положення кромки вихідного вікна у корпусі. Роторно-поршневий нагнітач (або нагнітач Ванкеля (Wankel)) (найвідоміші – KKK-Ro, Pierburg) (рис. 17) має ротор-поршень, що рухається відносно внутрішньої осі. Він приводиться у обертання за ексцентриковою траєкторією у циліндрі, де розміщуються зовнішні ротори. Передаточні відношення ротора-поршня і зовнішніх роторів дорівнюють 2:3 або 3:4. Тиск наддуву керується положенням кромки випускного вікна. Для синхронізації обертання ротора-поршня і зовнішніх роторів використовують шестеренну передачу з внутрішнім зачепленням. Спіральний нагнітач (або G-нагнітач) (рис. 18) використовується фірмою Volkswagen. У ньому використовується ексцентрично встановлений виштовхувач, який при обертанні приводного вала отримує коливальний рух. При цьому виконуються наступні операції: відкриваються робочі камери і у них поступає повітря, відсікається подача повітря, робочі камери відкриваються знову для випуску стисненого повітря.

2.

Серед відомих способів наддуву найбільш поширеним є турбонаддув з використанням енергії відпрацьованих газів. Цей спосіб робить можливим досягнення великого крутного моменту і потужності при відносно високому ККД навіть у двигунів з малим робочим об'ємом.

Якщо ще кілька років тому турбонаддув застосовувався, головним чином для підвищення такого показника як відношення потужності двигуна до його ваги, то в даний час, турбонаддув все частіше застосовується для збільшення максимального крутного моменту на малих і середніх оборотах колінчастого валу. Це відноситься, зокрема, до систем, що поєднують турбонаддув з електронним регулюванням тиску наддуву.

Двигун повинен розвивати високий крутний момент навіть на малих оборотах колінчастого валу, тому корпус турбіни конструюється з розрахунку на невеликий потік ВГ (наприклад, повне навантаження — при n ≤ 2000 об./хв.).

До основних елементів турбонагнітача, що приводиться в дію відпрацьованими газами (рис. 19), відносяться газова турбіна 3 і нагнітач (компресор) 1, робочі колеса яких розташовані на спільному валу 2. Гарячі відпрацьовані гази 7 (рис. 19) діють на лопаті газової турбіни 4, надаючи їй швидкий обертальний рух (до 250 000 об./хв.). Лопаті колеса турбіни направляють відпрацьовані гази до центру — на вихід з турбіни вздовж її осі. У компресорі, що обертається разом з колесом турбіни, відбувається зворотне. Свіже повітря 5 (рис. 19) поступає до центру компресора вздовж його осі і нагнітається при русі до периферії. Турбокомпресор розташований безпосередньо в потоці гарячих відпрацьованих газів і тому повинен виготовлятися з термостійких матеріалів. Загальна будова турбокомпрессора

- корпус турбіни

- корпус компрессора

- середній корпус

- підшипник ковзання

- упорний підшипник

- мехінізм регулювання

Турбокомпресори (патент Альфреда Бюхі (Швейцарія) 1905 року) (рис. 19) складаються з турбіни і відцентрового компресора, що встановлені на загальному валу. Для обертання турбіни використовується енергія відпрацьованих газів, які діють на її лопатки. Турбіна може бути доцентровою і осьовою (рис. 20). Обертання турбіни приводить у дію компресор. Частота обертання досягає 200000 хв-1.

Недоліком турбокомпресорів є їх повільна реакція на різкі прискорення – „провал” або „турбояма”. Тому масу деталей намагаються зменшити до мінімуму.

Застосовують дві схеми підведення відпрацьованих газів до газової турбіни:

1. Від загального випускного трубопроводу. У цьому випадку тиск перед турбіною практично постійний (рис. 21, а).

2. Від кожного циліндра чи групи циліндрів. У такому варіанті система наддуву називається імпульсною (рис. 21 б). В імпульсних системах використовується кінетична енергія відпрацьованих газів, завдяки чому збільшується крутний момент на низьких частотах, однак погіршується очищення циліндрів двигуна, що є загальним недоліком усіх систем газотурбінного наддуву.

В автотракторних дизелях при числі циліндрів 8 і більш переважно застосовуються системи з постійним тиском перед турбіною. ККД таких турбін вище, ніж імпульсних, а система випуску виходить більш простою. У турбінах з розділеним потоком, які мають два зовнішніх канали, потоки газів теж розділюються у зоні турбіни. Турбокомпресори мають забезпечувати високий крутний момент вже на малих обертах, тому на високій частоті для запобігання перевантаження тиск треба регулювати. Для цього використовують чотири способи:

- з регулюванням перепуску повітря. Його використовують рідко, в основному у гоночних автомобілях. Тиск наддуву обмежують або заслінками перед чи після компресора, або клапаном.

- з перепуском відпрацьованих газів (рис. 22). При цьому частина потоку відпрацьованих газів через перепускний (байпасний) клапан (рис. 23) спрямовується у обхід турбіни.

- з дроселюванням турбіни (рис. 24). На малих частотах відкрито один підвідний канал, при цьому завдяки малому перетину каналу збільшується швидкість газів і частота обертання вала турбокомпресора. При збільшенні частоти відкривається керівна заслінка, збільшуючи перетин каналу і тим самим зменшуючи частоту обертання вала і тиск наддуву. Рухомі напрямні лопатки соплового апарату змінюють поперечний перетин каналів, через які гази рухаються на крильчатку турбіни. При збільшенні частоти ДВЗ лопатки збільшують перетин. Поворот здійснюється керівним кільцем за допомогою пневмоциліндра.

Багатоступеневий наддув (рис. 26). Дозволяє значно розширити діапазон потужності ДВЗ за рахунок послідовного встановлення декількох (частіше за все двох – TwinTurbo) турбокомпресорів. При цьому у залежності від режиму або потік газів проходить лише крізь ступінь високого тиску, або частина потоку крізь перепускну магістраль йде у ступінь низького тиску. Терміном TwinTurbo (BiTurbo) також позначують систему з двома паралельними турбокомпресорами (у V-подіб Хвильові обмінники тиску (типу „Comprex”, розробка швейцарської фірми Asea-Brown- Boweri) (рис. 27). Строго говорячи, це не компресор, хоча і використовує енергію відпрацьованих газів. Діє він так. Циліндр (ротор), що розділений на поздовжні канали, обертається навколо своєї осі, яка приводиться ременем від колінчастого вала. Торці циліндра прикривають дві глухі кришки статора, у яких по два вікна – для повітря і відпрацьованих газів. Цикл роботи наступний: після відкриття випускного клапана у циліндрі двигуна ударна хвиля поширюється трубопроводом, проходить через вікно торцевої кришки і продовжує рух каналами ротора, стискаючи повітря, що перебуває у них. Оскільки ротор обертається, у певний момент відкривається вікно і повітря подається у трубопровід до циліндрів з підвищеним тиском. Вікно відразу закривається, і потоку вихлопних газів нічого не залишається, як, відбившись від торцевої кришки, направитися назад, назустріч вікну випуску, що відкривається. За відбитою хвилею стиску йде хвиля розрідження, вона дозволяє до моменту видалення газів заповнити канал свіжим повітрям, ежектувавши його через відповідне вікно.

Робота турбокомпресора. Справа в тому, що для горіння палива необхідний кисень. Так що в циліндрах згорає не паливо, а паливно-повітряна суміш. Заважати паливо з повітрям потрібно не на око, а в певному співвідношенні. Наприклад, для бензинових двигунів на одну частину палива покладається 14-15 частин повітря - в залежності від режиму роботи, складу пального та інших факторів.

Як ми бачимо, повітря потрібна вельми багато. Якщо ми збільшимо подачу палива (це не проблема), нам також доведеться значно збільшити і подачу повітря. Звичайні двигуни засмоктують його самостійно через різницю тисків у циліндрі і в атмосфері. Залежність виходить пряма - чим більший об'єм циліндра, тим більше кисню до нього потрапить на кожному циклі. Так і надходили американці, випускаючи величезні двигуни із запаморочливим витратою пального. А чи є спосіб загнати в той же обсяг більше повітря? них ДВЗ). Вихлопні гази з двигуна обертають ротор турбіни, той, у свою чергу, приводить у рух компресор, що нагнітає стиснене повітря в циліндри. Перед тим як це відбудеться, повітря проходить через інтеркулер і охолоджується - так можна підвищити його щільність.