Wymuszona Indukcja - Forced induction
Indukcja wymuszona to proces dostarczania sprężonego powietrza do wlotu silnika spalinowego . Silnik indukcyjny z wymuszonym obiegiem wykorzystuje sprężarkę gazu do zwiększania ciśnienia, temperatury i gęstości powietrza . Silnik bez wymuszonego doładowania jest uważany za silnik wolnossący .
Wstęp
Wymuszona indukcja jest stosowana w przemyśle motoryzacyjnym i lotniczym w celu zwiększenia mocy i sprawności silnika. Silnik indukcyjny z wymuszonym obiegiem to zasadniczo dwie sprężarki połączone szeregowo. Skok sprężania silnika jest głównym stopniem sprężania, jaki ma każdy silnik. Dodatkowa sprężarka podająca do wlotu silnika powoduje wymuszony dopływ powietrza. Sprężarka podająca ciśnienie do innej znacznie zwiększa całkowity stopień sprężania całego systemu. To ciśnienie wlotowe nazywa się doładowaniem. Szczególnie pomaga to silnikom lotniczym, ponieważ muszą one pracować na większych wysokościach przy niższych gęstościach powietrza.
Silniki o wyższym stopniu sprężania mają tę zaletę, że maksymalizują ilość użytecznej energii wytworzonej na jednostkę paliwa. W związku z tym sprawność cieplna silnika wzrasta zgodnie z analizą cyklu mocy par według drugiej zasady termodynamiki. Powodem, dla którego nie wszystkie silniki mają wyższą kompresję, jest to, że dla dowolnej liczby oktanów paliwo przedwcześnie wybuchnie przy wyższym niż normalny stopniu sprężania. Nazywa się to przedwczesnym zapłonem , detonacją lub stukiem i może spowodować poważne uszkodzenie silnika. Wysoka kompresja w silniku wolnossącym może dość łatwo osiągnąć próg detonacji. Jednak silnik doładowania wymuszonego może mieć wyższą całkowitą kompresję bez detonacji, ponieważ wsad powietrza można schłodzić po pierwszym stopniu sprężania za pomocą intercoolera .
Jednym z głównych problemów związanych z emisjami ze spalania wewnętrznego jest czynnik zwany frakcją NOx lub ilość związków azotu/tlenu wytwarzanych przez silnik. Poziom ten jest regulowany przez rząd dla emisji, co powszechnie obserwuje się w stacjach kontrolnych. Wysoka kompresja powoduje wysokie temperatury spalania. Wysokie temperatury spalania prowadzą do wyższych emisji NOx, dlatego wymuszona indukcja może dać wyższe frakcje NOx.
Rodzaje sprężarek
Dwie powszechnie stosowane sprężarki z wymuszonym wlotem to turbosprężarki i turbosprężarki . Turbosprężarka to sprężarka dośrodkowa napędzana strumieniem spalin. Sprężarki doładowujące wykorzystują różne typy sprężarek, ale wszystkie są zasilane bezpośrednio przez obrót silnika, zwykle poprzez napęd pasowy. Sprężarka może być odśrodkowa lub typu Rootsa do sprężania wyporowego. Przykładem sprężarki wewnętrznej jest sprężarka śrubowa lub sprężarka tłokowa.
Turbosprężarki
Turbosprężarka wykorzystuje objętość i prędkość spalin do obracania (nakręcania) koła turbiny, które jest połączone z kołem sprężarki za pomocą wspólnego wału. Wykonane ciśnienie doładowania można regulować za pomocą systemu zaworów spustowych i sterowników elektronicznych. Główną zaletą turbosprężarki jest to, że zużywa mniej energii z silnika niż turbosprężarka; historycznie główną wadą było to, że reakcja silnika znacznie się pogarsza, ponieważ turbosprężarka potrzebuje czasu, aby rozpędzić się (spool up). To opóźnienie w dostarczaniu mocy jest określane jako turbo lag . Każdy projekt turbosprężarki jest z natury kompromisem; mniejsza turbosprężarka szybko się obraca i zapewnia pełne ciśnienie doładowania przy niskich prędkościach obrotowych silnika, ale ciśnienie doładowania ucierpi przy wysokich obrotach silnika. Z drugiej strony, większa turbosprężarka zapewni lepsze osiągi przy wysokich obrotach kosztem niskiej odpowiedzi. Inne powszechne problemy projektowe obejmują ograniczoną żywotność turbiny, ze względu na wysokie temperatury spalin, które musi wytrzymać, oraz ograniczający wpływ turbiny na przepływ spalin. Ponieważ turbosprężarki mogą radykalnie poprawić wydajność silnika, stają się coraz powszechniejsze w popularnych silnikach samochodowych; Turbosprężarki o zmiennej geometrii i inne technologie zostały wprowadzone w celu zmniejszenia opóźnienia turbosprężarki i poprawy właściwości jezdnych.
Doładowania
Sprężarki doładowujące nie mają prawie żadnego opóźnienia, aby wytworzyć ciśnienie, ponieważ sprężarka zawsze obraca się proporcjonalnie do prędkości obrotowej silnika. Nie są tak powszechne jak turbosprężarki, ponieważ wykorzystują do działania moment obrotowy wytwarzany przez silnik. Powoduje to pewną utratę mocy i wydajności. Roots typu doładowania stosuje łopatek dwóch bębnów obracających się wcisnąć powietrza do wlotu. Ponieważ jest to urządzenie wyporowe, ta sprężarka ma tę zaletę, że wytwarza taki sam stosunek ciśnienia przy każdej prędkości obrotowej silnika. Śrubowy doładowania jest również wyporowe urządzenie jak korzenie typu sprężarkę. Sprężarki śrubowe są bardziej skomplikowane w produkcji niż sprężarki typu Roots, ale są bardziej wydajne w działaniu, wytwarzając chłodniejsze powietrze. Odśrodkowy typu dmuchawa nie jest pozytywnym urządzeniem przemieszczania i zwykle mają lepszą wydajność cieplną niż Roots typu sprężarkę. Sprężarki odśrodkowe są również bardziej kompaktowe i łatwiejsze w użyciu dzięki intercoolerowi.
Intercooler
Nieuniknionym efektem ubocznym wymuszonej indukcji jest to, że sprężone powietrze podnosi jego temperaturę. W rezultacie gęstość ładunku jest zmniejszona, a cylindry otrzymują mniej powietrza niż zaleca to ciśnienie doładowania w systemie. Znacznie wzrasta ryzyko detonacji, czyli „ stukania ”. Te wady są niwelowane przez chłodzenie powietrzem doładowującym, które przepuszcza powietrze opuszczające turbosprężarkę lub turbosprężarkę przez wymiennik ciepła zwany zwykle intercoolerem . Odbywa się to poprzez chłodzenie powietrza doładowującego strumieniem powietrza (chłodnica międzystopniowa powietrze-powietrze) lub cieczy (chłodnica międzystopniowa ciecz-powietrze). Zwiększa się gęstość powietrza doładowującego i obniża się temperatura. W ten sposób intercooler może znacznie zwiększyć zdolność do pracy z wyższymi bezwzględnymi współczynnikami sprężania i w pełni wykorzystać szeregowe zastosowanie sprężarek. Jedyne wady intercoolera to rozmiar intercoolera (zazwyczaj zbliżony do rozmiaru grzejnika) oraz związane z nim instalacje i orurowanie.
Wtrysk wody
Innym skutecznym sposobem chłodzenia powietrza doładowującego jest wtrysk wody, aby zapobiec detonacji . Metanol jest mieszany z wodą, aby zapobiec zamarzaniu i działać jak wolniej palące się paliwo. Wtrysk wody, w przeciwieństwie do podtlenku azotu lub wymuszonego doładowania, sam w sobie nie dodaje dużej mocy do silnika, ale pozwala na bezpieczne dodanie większej mocy. Działa poprzez natryskiwanie do ładunku sprężonego powietrza. Woda pochłania ciepło, odparowując, aby schłodzić wsad i obniżyć temperaturę spalania. Alkohol jest również paliwem we wsadzie, który spala się wolniej i chłodniej niż benzyna. Ze względu na niższe temperatury wlotu i gęstszy ładunek powietrza, można bezpiecznie dodać większe ciśnienie doładowania i wyprzedzenie rozrządu bez używania paliwa o wyższej liczbie oktanowej. Jest najczęściej używany w zastosowaniach wyścigowych, ale wykazano również, że jest praktyczny w przypadku długotrwałego użytkowania.
Silniki Diesla
Czterosuwowy
Silniki Diesla nie mają problemów z przedwczesnym zapłonem, ponieważ paliwo jest wtryskiwane pod koniec suwu sprężania, dlatego stosuje się wyższe sprężanie. Większość nowoczesnych silników wysokoprężnych wykorzystuje turbosprężarkę. Dzieje się tak, ponieważ spaliny z silnika wysokoprężnego są wyjątkowo mocne, co czyni go doskonałym do napędzania turbosprężarki. Zakres prędkości silnika jest węższy, dzięki czemu pojedyncza turbosprężarka może w pełni zasilać cały zakres silnika. Turbosprężarki mogą również osiągnąć wyższe ciśnienie doładowania niż supersprężarki, co jest niezbędne w przypadku większości diesli.
Dwusuwowy
Dwusuwy Diesla działają inaczej niż benzynowe i muszą mieć jakąś formę wymuszonego doładowania - generalnie doładowanie - żeby w ogóle działać.
Rozważania projektowe
Konstrukcja silników benzynowych i stopień sprężania wpływają na maksymalne możliwe doładowanie. Aby uzyskać większą moc z wyższych poziomów doładowania i zachować niezawodność, wiele elementów silnika musi zostać zastąpionych lub unowocześnionych w porównaniu z układami wolnossącymi. Rozważania konstrukcyjne obejmują pompę paliwową, wtryskiwacze paliwa, tłoki, korbowody, wały korbowe, zawory, uszczelkę głowicy i śruby głowicy. Maksymalne możliwe doładowanie zależy od liczby oktanowej paliwa i nieodłącznej tendencji danego silnika do detonacji . Do zapobiegania detonacji w rozsądnych granicach można stosować benzynę premium lub benzynę wyścigową. Etanol, metanol, gaz płynny (LPG) i sprężony gaz ziemny (CNG) pozwalają na wyższy doładowanie niż benzyna, ze względu na ich wyższą odporność na samozapłon (mniejsza skłonność do stukania). Silniki Diesla mogą również tolerować znacznie wyższe poziomy ciśnienia doładowania niż silniki cyklu Otto , ponieważ podczas fazy sprężania sprężane jest tylko powietrze, a paliwo jest wtryskiwane później, całkowicie eliminując problem stukania.
Motocykle
Unikalne względy projektowe dla motocykli obejmują dostarczanie mocy; oraz opakowania do odprowadzania ciepła, zachowania przestrzeni i pożądanego środka ciężkości .