Принудительная индукция - Forced induction

Принудительная индукция это процесс подачи сжатого воздуха к входу двигатель внутреннего сгорания. Двигатель с принудительной индукцией использует газовый компрессор для увеличения давления, температуры и плотность воздуха. Двигатель без принудительной индукции считается атмосферный двигатель.

Вступление

Принудительная индукция используется в автомобильной и авиационной промышленности для увеличения мощности и эффективности двигателя.[1] Двигатель с принудительной индукцией - это, по сути, два последовательно установленных компрессора. Такт сжатия двигателя - это основное сжатие, которое имеет каждый двигатель. Дополнительный компрессор, входящий в систему впуска двигателя, вызывает принудительный впуск воздуха. Компрессор, подающий давление в другой, значительно увеличивает общую степень сжатия всей системы. Это давление на входе называется наддувом.[2] Это особенно помогает авиационным двигателям, так как они должны работать на больших высотах с меньшей плотностью воздуха.

Преимущество двигателей с более высокой степенью сжатия заключается в максимальном увеличении количества полезной энергии, выделяемой на единицу топлива. Следовательно, тепловой КПД двигателя увеличивается в соответствии с анализом паросилового цикла второго закона термодинамики.[3] Причина, по которой все двигатели не имеют более высокого уровня сжатия, заключается в том, что для любого заданного октанового числа топливо преждевременно взорвется с более высокой степенью сжатия, чем обычно. Это называется предварительное зажигание, детонации или детонации и могут вызвать серьезное повреждение двигателя. Высокая степень сжатия в безнаддувном двигателе может довольно легко достичь порога детонации. Однако двигатель с принудительной индукцией может иметь более высокое общее сжатие без детонации, поскольку воздушный заряд может быть охлажден после первой стадии сжатия с использованием интеркулер.

Одной из основных проблем с выбросами внутреннего сгорания является фактор, называемый NOx фракция, или количество соединений азота / кислорода, производимых двигателем. Этот уровень регулируется государством для выбросов, как это обычно бывает на инспекционных станциях. Высокая степень сжатия вызывает высокие температуры сгорания. Высокие температуры сгорания приводят к более высоким выбросам NOx, поэтому принудительная индукция может давать более высокие фракции NOx.

Типы компрессоров

Два обычно используемых компрессора с принудительной индукцией: турбокомпрессоры и нагнетатели. Турбокомпрессор - это центростремительный компрессор, приводимый в движение потоком выхлопных газов. В нагнетателях используются различные типы компрессоров, но все они приводятся в действие напрямую от вращения двигателя, обычно через ременную передачу. Компрессор может быть центробежным или типа Рутса для объемного вытеснения.[требуется разъяснение ] сжатие. Примером внутреннего компрессора является винтовой нагнетатель или поршневой компрессор.

Турбокомпрессоры

Основная статья: Турбокомпрессор
С турбонаддувом Двигатель Nissan RB.

Турбокомпрессор зависит от объема и скорости выхлопных газов для вращения (вращения) колеса турбины, которое соединено с колесом компрессора через общий вал. Создаваемое давление наддува можно регулировать с помощью системы выпускных клапанов и электронных контроллеров. Основное преимущество турбокомпрессора заключается в том, что он потребляет меньше энергии от двигателя, чем нагнетатель; Главный недостаток заключается в том, что реакция двигателя сильно страдает, поскольку турбокомпрессору требуется время, чтобы набрать скорость (раскрутить). Эта задержка подачи мощности называется турбо лаг. Любая данная турбо-конструкция по своей сути является компромиссом; турбонагнетатель меньшего размера будет быстро раскручиваться и обеспечивать полное давление наддува на низких оборотах двигателя, но давление наддува будет ухудшаться при высоких оборотах двигателя. С другой стороны, более мощный турбонагнетатель обеспечит улучшенные характеристики на высоких оборотах за счет отклика на низких частотах. Другие общие проблемы проектирования включают ограниченный срок службы турбины из-за высоких температур выхлопных газов, которые она должна выдерживать, и ограничивающее влияние турбины на поток выхлопных газов.

Нагнетатели

Основная статья: Нагнетатель
Нагнетатель типа Рутса на Двигатель Nissan VQ.

У нагнетателей почти нет времени задержки для создания давления, потому что компрессор всегда вращается пропорционально скорости двигателя. Они не так распространены, как турбокомпрессоры, потому что для работы они используют крутящий момент, создаваемый двигателем. Это приводит к некоторой потере мощности и эффективности. А Нагнетатель типа Рутса использует лопасти на двух вращающихся барабанах для подачи воздуха во впускное отверстие.[4] Поскольку это устройство прямого вытеснения, этот компрессор имеет то преимущество, что он обеспечивает одинаковую степень сжатия при любой частоте вращения двигателя. А винтовой нагнетатель также является устройством прямого вытеснения, как нагнетатель типа Рутса. Винтовые нагнетатели сложнее в производстве, чем нагнетатели Рутса, но они более эффективны в эксплуатации, производя более холодный воздух. А центробежный нагнетатель не является устройством прямого вытеснения и обычно имеет более высокий тепловой КПД, чем нагнетатель типа Рутса. Центробежные нагнетатели также более компактны и их проще использовать с промежуточным охладителем.

Промежуточное охлаждение

Основная статья: Интеркулер

Неизбежным побочным эффектом принудительной индукции является повышение температуры воздуха при сжатии.[3]:70 В результате плотность заряда снижается, и в цилиндры поступает меньше воздуха, чем предписывается системой давления наддува. Риск взрыва, или "стучать ", значительно увеличивается. Этим недостаткам препятствует охлаждение наддувочного воздуха, при котором воздух, выходящий из турбокомпрессора или нагнетателя, проходит через теплообменник, обычно называемый интеркулер. Это достигается путем охлаждения наддувочного воздуха окружающим потоком воздуха (промежуточный охладитель воздух-воздух) или жидкости (промежуточный охладитель жидкость-воздух). Плотность наддувочного воздуха увеличивается, а температура снижается. Таким образом, промежуточный охладитель может значительно повысить способность работать с более высокими абсолютными степенями сжатия и в полной мере использовать преимущества последовательного использования компрессоров. Единственными недостатками промежуточного охлаждения являются размер промежуточного охладителя (обычно близкий к размеру радиатора) и связанные с ним водопровод и трубопроводы.

Впрыск воды

Основная статья: Впрыск воды (двигатели)

Впрыск воды - еще одно эффективное средство охлаждения наддувочного воздуха для предотвращения детонация. Метанол смешивается с водой, чтобы предотвратить замерзание и действовать как медленно горящее топливо. Впрыск воды, в отличие от оксид азота или принудительная индукция, сами по себе не добавляют много мощности двигателю, но позволяют безопасно добавлять больше мощности. Он работает путем распыления на заряд сжатого воздуха. Вода поглощает тепло при испарении для охлаждения заряда и снижения температуры сгорания. Спирт также является топливом, которое горит медленнее и холоднее, чем бензин. Благодаря более низким температурам на впуске и более плотному заряду воздуха можно безопасно добавить большее давление наддува и опережение времени без использования топлива с более высоким октановым числом. Чаще всего он используется в гоночных приложениях, однако он также быть практичным для длительного использования.

Дизельные двигатели

Основная статья: Дизельные двигатели

Четырехтактный

Дизельные двигатели не имеют проблем с предварительным зажиганием, потому что топливо впрыскивается в конце такта сжатия, поэтому используется более высокая степень сжатия. В большинстве современных дизельных двигателей используется турбонагнетатель. Это потому, что выхлоп дизеля исключительно мощный, что делает его идеальным для работы с турбонаддувом. Диапазон оборотов двигателя уже, что позволяет одному турбонаддуву полностью задействовать весь диапазон двигателей. Турбокомпрессоры также могут обеспечивать более высокое давление наддува, чем нагнетатели, что необходимо для большинства дизелей.

Двухтактный

Дизельные двухтактные двигатели работают не так, как бензиновые, и для того, чтобы вообще работать, они должны иметь какую-либо форму принудительной индукции - как правило, нагнетатель.

Соображения по дизайну

Конструкция бензиновых двигателей и степень сжатия влияют на максимально возможный наддув. Чтобы получить больше мощности от более высоких уровней наддува и сохранить надежность, многие компоненты двигателя необходимо заменить или модернизировать по сравнению с безнаддувными силовыми агрегатами. Конструктивные особенности включают топливный насос, топливные форсунки, поршни, шатуны, коленчатые валы, клапаны, прокладку головки и болты головки. Максимально возможное усиление зависит от октанового числа топлива и присущей каждому конкретному двигателю детонация. Бензин премиум-класса или гоночный бензин можно использовать для предотвращения детонации в разумных пределах. Этанол, метанол, сжиженный нефтяной газ (LPG) и сжатый природный газ (CNG) допускают более высокий наддув, чем бензин, из-за их более высокой устойчивости к самовоспламенению (более низкой склонности к детонации). Дизельные двигатели также могут выдерживать гораздо более высокие уровни давления наддува, чем Цикл Отто двигателей, потому что во время фазы сжатия сжимается только воздух, а топливо впрыскивается позже, полностью устраняя проблему детонации.

Мотоциклы

Основная статья: Принудительная индукция в мотоциклах

Уникальные конструктивные особенности мотоциклов включают управляемую мощность; и упаковка для отвода тепла, экономии места и желаемого центр гравитации.

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ Элизабет Х. Доррис (декабрь 2004 г.). TechOne: Ремонт автомобильных двигателей. Cengage Learning. С. 106–. ISBN  1-4018-5941-0.
  2. ^ Журналы Hearst (декабрь 1982 г.). Популярная механика. Журналы Hearst. С. 75–. ISSN  0032-4558.
  3. ^ а б [Cengle, Y.A., & Boles, M.A. (2008). Термодинамика: инженерный подход. 6-е изд. Нью-Йорк, Нью-Йорк: МакГроу-Хилл.], Стр. 70, 590.
  4. ^ Применительно к двухтактному двигателю двигатель с наддувом Рутса считается безнаддувным, поскольку такой двигатель не имеет такта сжатия в обычном значении этого термина.