close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

экономические показатели работы двигателя

код для вставкиСкачать
В.В. ПЕРМЯКОВ
ТРАНСПОРТНАЯ ЭНЕРГЕТИКА
ТЕМА 15.
ЭФФЕКТИВНЫЕ И ТЕХНИКО-
ЭКОНОМИЧЕСКИЕ ПОКАЗАТЕЛИ
РАБОТЫ ДВИГАТЕЛЯ
Часть I
15.1 Эффективные и технико-экономические
показатели работы двигателя
Эффективными показателями называют величины,
характеризующие работу двигателя, снимаемую с его вала и
полезно используемую и характеризуют совершенство
двигателя. Во имя получения этой работы собственно и строят
двигатели внутреннего сгорания. К числу эффективных
показателей относят прежде всего эффективную мощность,
крутящий момент, среднее эффективное давление,
эффективный КПД, удельный эффективный расход топлива.
Полезная, или эффективная, работа двигателя за один
цикл
L e Li L мп ,
где Lмп – работа механических потерь.
Разделив это выражение на рабочий объем V h
получим
p e p i p МП
(15.1.1)
где p e L e / V h - среднее эффективное давление,
т.е полезная работа, получаемая за цикл с
единицы рабочего объема цилиндра.
Умножив (15.1.1) на , V h in /( 30 ) получим
N e N i N мп
(15.1.2)
где N e p eV h in /( 30 ) - эффективная мощность
двигателя; N - мощность механических потерь.
МП
Если (15.1.1) умножить на 1000 V h i /( ) , то
получим
M
k
M
i
M
МП
,
где M k 1000 p eV h i ( ) - эффективный крутящий
момент двигателя; Ммп – момент
механических потерь.
Механический КПД двигателя
L / L p / p M / M N / N , (15.1.3)
м
e
i
e
i
k
i
e
i
Далее, используя (15.1.1), можно записать
м p e / p i ( p i p МП ) / p i 1 p МП / p i
Под эффективным КПД двигателя
понимают долю от всей подведенной с
топливом теплоты, превращенную в
полезную работу:
e L e /( V ц Т H
u
)
Далее можно преобразовать:
e p eV h
Vц т Н u
p iV h м
Vц т Н u
Li
Vц т Н u
м i м
(15.1.4)
Удельный эффективный расход топлива или расход
топлива на единицу эффективной мощности в час
g e 3600 /( H u e ).
Из приведенных уравнений следует, что для
обеспечения высокой эффективности и экономичности
работы двигателя недостаточно достижения высоких
значений рi и i . Необходимо также, чтобы малыми были
механические потери двигателя, в том числе потери на
привод компрессора.
Используя ранее приведенные зависимости, можно
записать:
p e p i i ( H u / l 0 ) ( i / ) к м
Ne Vh i pi n
30 м H u i
l0 к n
30 V h i м
15.2. Тепловой баланс и тепловая напряженность
деталей двигателя
Q 1 Q e Q охл Q г Q нс Q м Q ост Q мех
где Q 1 - общее количество теплоты, введенное в
двигатель топливом на заданном режиме; Q e - теплота,
эквивалентная эффективной работе двигателя; Q охл теплота, отданная охлаждающей среде; Q г - теплота,
уносимая из двигателя с отработавшими газами; Q нс часть теплоты топлива, теряемой вследствие неполного
его сгорания; Q м - теплота, отданная маслу; Q ост остаточный член, определяющий потери, не учтенные
составляющими теплового баланса, Q мех - механические
потери.
Тепловой баланс можно определять в процентах от
всего количества введенной теплоты. Тогда
q e Q e / Q 1 100 ;
q нс Q нс / Q 1 100 ;
q охл Q охл / Q 1 100 ;
q м Q м / Q 1 100 ;
q г Q г / Q 1 100 ; q ост Q ост / Q 1 100 .
Очевидно
q e q охл q г q нс q м q ост 100 %
Общее количество теплоты, израсходованной в течение 1 с,
Q1 H и G т
где G т - в кг/с, а H и - в Дж/кг.
Теплота (в Дж/с), эквивалентная эффективной мощности (в Вт)
Qe N e
Теплоту, передаваемую охлаждающей среде через
стенки цилиндра, головку блока цилиндров, поршень и
поршневые кольца, можно определить по уравнению
Q охл G охл с охл ( t вых t вх )
где G охл - количество охлаждающего вещества, прошедшего
через двигатель, кг/с; с охл - теплоемкость вещества (для вод
с в = - 4186 Дж/кг); t вых- температура охлаждающего вещест
на выходе из двигателя, °С; t вх - то же на входе в
двигатель, ° С.
Рис. 15.2.1. Схема внутреннего баланса теплоты двигателя:
Q 1 - теплота, полученная при сгорании топлива, Q i - теплота, эквивалентная
индикаторной работе двигателя; Q e - теплота, эквивалентная эффективной работе
двигателя; Q ст - теплота, переданная стенкам, ограничивающим внутрицилиндровый
объем; Q охл - теплота, отданная охлаждающей среде;
Q - общее количество теплоты, содержащейся в отработавших газах; Q мех - теплота,
эквивалентная работе, затрачиваемой на трение и привод вспомогательных механизмов;
Q тр - теплота, переданная охлаждающей среде вследствие трения поршня и колец; Q нс часть теплоты топлива, теряемой из-за химической неполноты сгорания; Q ост остаточный член; Q W - теплота, соответствующая кинетической энергии отработавших
газов; Q л — теплота, теряемая вследствие лучеиспускания; Q вп - теплота, отдаваемая
отработавшими газами в охлаждающую систему в выпускном патрубке; Q г - теплота,
уносимая из двигателя с отработавшими газами
Теплота, унесенная отработавшими газами,
Q г G т [ M 2 ( c p ) t г M 1 ( c p ) t 0 ]
где G т M 2 ( c p ) t г - количество теплоты, удаленной из
цилиндра с отработавшими газами, Дж/с; G т M 1 ( c p ) t 0 количество теплоты, введенной в цилиндр двигателя со
свежим зарядом, Дж/с; c p и c p - мольные теплоемкости
при постоянном давлении соответственно продуктов
сгорания и свежего заряда, Дж/(Kмоль°С)]; t г температура отработавших газов, измеренная за
выпускным патрубком, °С; t 0 - температура свежего
заряда на впуске в цилиндр двигателя, °С.
Теплоту Q м определяют путем измерения количества
теплоты, отданной маслом воде в масляном холодильнике.
Величину Q нг при 1 обычно отдельно не
подсчитывают и включают в остаточный член Q ост ,
который определяют по разности:
Q ост Q1 ( Q е Q охл Q г Q м )
Если испытания проводятся при 1 , то не
выделившуюся из-за неполноты сгорания теплоту
подсчитывают по выражению
Q нc ( H и ) хим G т
где H и = А (1-)LO
При k 0 ,5 0 , 45 A 114 10 6 ;при k 0 ,3
A 116 10
6
Таблица 15.2.2
Составляющие теплового баланса (в %)
Двигатель
qe e
С искровым 21 - 28
зажигание 29 - 42
м
35 - 45
Дизель:
без наддува
с наддувом
q ост
12 - 27
15 - 35
10 - 25
qг
q н.с q охл
30 55
25 45
25 40
0 - 45 3 - 10
0-5 2-5
0-5 2-5
На рис. 15.2.3, а показана зависимость
составляющих теплового баланса от частоты
вращения карбюраторного двигателя ГАЗ-53.
Рис. 15.2.3 составляющие теплового баланса
С повышением частоты вращения
увеличивается эффективно использованная
теплота с 20 до 24%. Количество теплоты Q охл с
ростом частоты вращения снижается с 30 до 20%
при значительном увеличении теплоты Q г .
Теплота Q нс имеет наибольшее значение при n
=1200÷1600 об/мин. Теплота Q м , совместно с Q ост
составляет при средней частоте вращения около
10%, увеличиваясь при повышении и снижении
частоты.
На рис. 15.2.3, б приведена нагрузочная
характеристика двигателя ГАЗ-53. В верхней части
рисунка показано изменение коэффициента α в
зависимости от нагрузки.
Зависимость составляющих теплового баланса
от нагрузки в дизеле ЯМЗ-238Н с наддувом при
n =2100 об/мин показана на рис. 15.2.3, в.
Эффективно используемая теплота составляет
36%.
При изменении нагрузки от полной до 50%
эффективный КПД, определяемый величиной q e ,
меняется всего на 2% от его максимального
значения, достигаемого при N e 0 ,88 N e max . В
охлаждающую среду отводится теплоты от 17%
при полной нагрузке до 23% при N e 0 ,5 N e max с
отработавшими газами соответственно от 39 до
33%. Характер изменения составляющих
теплового баланса по скоростной характеристике
дизеля показан на рис. 15.2.3, г.
15.3 Тепловая напряженность
Современная
тенденция
развития
быстроходных автотракторных двигателей
характерна стремлением их форсирования
по
скоростному
режиму
и
среднему
эффективному давлению. Такое направление
развития приводит к росту механических и
тепловых нагрузок. Последние главным
образом и определяют предел форсирования
двигателя.
Тепловая
напряженность
двигателя
характеризует уровень температуры его
основных
деталей
и
определяет
допускаемую
из
условий
прочности
применяемых
материалов
термическую
нагрузку для них. Тепловая напряженность
характеризует
также
условия
работы
трущихся пар.
В наиболее сложных условиях по тепловой
напряженности находятся огневые днища головки
блока цилиндров и поршня, температурные поля
которых характеризуются значительной неравномерностью в различных зонах. Температура
поверхности этих деталей и особенно поршня
существенно влияет на условия эксплуатации
двигателя и его надежность. Перегрев поршня,
если при этом недостаточно хорошо смазываются
сопряженные детали, вызывает закоксовывание
колец, задиры рабочей поверхности поршня и
гильзы
и
другие
дефекты.
Вследствие
неравномерного поля температур в днище
поршня и головке они деформируются, а степень
тепловой напряженности их в зонах с разными
температурами не одинакова, в результате чего
возникают трещины и прогар в отдельных местах.
Достижения оптимальных условий по тепловому
состоянию форсированного двигателя определяются
рациональной
конструкцией
тепловоспринимающих
деталей, полостей охлаждения и параметрами агрегатов
системы охлаждения. Большое значение имеет также
правильное соотношение между количеством теплоты,
отдаваемой в охлаждающую двигатель среду и удаляемой
из цилиндра с отработавшими газами. Особенно в случае
газотурбинного наддува рациональное распределение
отвода
теплоты
способствует
повышению
теплоиспользования и, следовательно, форсированию
двигателя. При этом путем ввода в цилиндр большего
массового количества воздуха и соответственно (для
дизеля) работы на больших нагрузках с более высоким
значением можно существенно
снизить тепловую
напряженность двигателя.
Таким образом, изучение факторов, влияющих на
тепловую напряженность ответственных деталей двигателя
имеет большое значение для обеспечения надежной его
эксплуатации.
В двигателе внутреннего сгорания тепловая
напряженность основных деталей определяется
величиной и характером протекания тепловых
потоков. Конструктивная сложность деталей, различие условий охлаждения по поверхности деталей,
неоднородность термодинамических параметров
рабочего тела по объему камеры сгорания приводят
к тому, что условия теплоотдачи по поверхности
деталей,
ограничивающих
внутрицилиндровый
объем, неодинаковы. Вследствие этого тепловые
потоки, проходящие через отдельные участки
теплопередающей
поверхности,
различны.
В
процессе осуществления цикла теплопередающая
поверхность меняется. Указанные и другие факторы,
сопутствующие протеканию отдельных стадий цикла
(вихревое
течение
газов,
гидродинамические
процессы при впуске и выпуске, изменение
состояния рабочего тела при сгорании и т. д.)
существенно влияют на характер тепловых потоков.
Удельный тепловой поток в Вт/м2
q Q
F
где Q
- количество теплоты, проходящей через
рассматриваемую поверхность детали, Вт; F —
рассматриваемый участок поверхности, м2.
Тепловые потоки в двигателе имеют ярко
выраженный нестационарный характер.
Рис. 15.3.1. Характер изменения удельного теплового потока от
рабочего тела к днищу головки блока цилиндра дизеля:
n 2100 об/мин; p к 0 ,175 МПа; = 1,55; ГСР 950 Вт/(м2оС);
3
q W 640 10 Вт/м2
cp
На рис. 11.3 в качестве примера показан характер удельного
теплового потока от рабочего тела, находящегося в цилиндре, к стенке
в зависимости от времени (угла поворота коленчатого вала четырехтактного автомобильного двигателя типа ЯМЗ).
При
впуске
вследствие
того,
что
температура поступающего воздуха ниже
температуры поверхности, ограничивающей
внутрицилиндровый объем, теплота от
стенок передается воздуху. Затем в процессе
сжатия по мере повышения температуры
свежего заряда начинается отвод теплоты от
него в стенки. Количество передаваемой
теплоты в стенки значительно возрастает в
период сгорания. При расширении вплоть до
выпуска отработавших газов отвод теплоты в
стенки продолжается.
На рис. 15.3.1 приведены также значения
средней температуры газа в цилиндре,
подсчитанной
по
характеристическому
уравнению по индикаторной диаграмме,
средней
температуры
стенки
в
рассматриваемой зоне t , измеренной
термопарой.
На
графике
показана
зависимость коэффициента теплоотдачи от
газа к стенке от угла поворота коленчатого
вала, подсчитанная по уравнению
гб q /( t г t )
Распределение отдачи теплоты в стенки по стадиям цикла
приведено в табл. 15.3.2.
Таблица 15.3.2
Количество теплоты, переданной тепловоспринимающей
поверхности в различные стадии цикла.
Количество теплоты, %
Двигатель
Сжатие
С искровым зажиганием Дизель
1,0 – 2,0
5,0 – 8,0
Рабочий ход
Выпуск
63 - 70
70 - 90
29 – 35
5 - 22
Относительное количество теплоты от всей
введенной с топливом и воспринимаемой
головкой блока в зависимости от нагрузки
меняется от 11 до 19%. Из общего
количества теплоты, переданной головке
блока, от 10 до 37% отводится в стенки
выпускного канала. Это заметно уменьшает
энергию отработавших газов, возможную для
использования при газотурбинном наддуве.
Наиболее напряженными деталями в
тепловом отношении в четырехтактном
двигателе являются выпускные клапаны.
Продувка цилиндра воздухом в период
перекрытия клапанов, которая применяется,
например, при наддуве, - эффективный
способ охлаждения клапанов.
На рис. 15.3.3 показано поле температур t деталей исследованного дизеля в
зависимости от нагрузки, коэффициента при различных p к , скоростных режимах и
давлении наддува. Значения t в различных
зонах поверхности одной и той же детали
разные. Это определяет сложный характер
степени тепловой напряженности днища
поршня и головки, что должно учитываться
при их конструировании для получения
необходимой равнопрочности и обеспечения
требуемого отвода теплоты в охлаждающую
среду. С увеличением нагрузки p i и
соответствующим при p к const снижением , а также с повышением частоты вращения
увеличивается удельный поток и, как
следствие, растет t во всех зонах.
Например, температура поверхности
огневого днища головки при n 1300 об/мин, p к
=0,17 МПа и полной нагрузке ( p i = 1,56 МПа)
на периферии равна 230° С, а в зоне,
расположенной близко к центру, 380 °С. При
повышении p к зависимость t f ( )
меняется практически эквидистантно (см.
рис. 15.3.3).
Температура поверхности поршня
существенно различна в зонах, где
производились измерения. В этих зонах при
высоких нагрузках (и соответственно p к ) и
скоростных режимах t = 320°, а в зонах
менее напряженных в тепловом отношении
при этих же нагрузках t = 260°.
Рис. 15.3.3. Поле температур в различных зонах деталей дизеля в
зависимости от , n , p i и p к :
а — днище поршня; б — головка блока цилиндра; в — гильзы цилиндра.
Цифры у кривых относятся к зонам, где производились измерения
На рис. 15.3.3 показано
температурное поле днища поршня
дизеля ЯМЗ-238. Поле температур по
отношению к оси цилиндра практически
симметрично. Исследования показали
существенное влияние на t головки и
поршня изменения угла опережения
впр
начала впрыска топлива. По мере
увеличения угла температура t во всех
исследованных зонах повышается. При
увеличении впр от 20 до 40° t в
отдельных зонах головки возрастает
линейно примерно на 70°, а поршня — на
60°.
1.
2.
3.
4.
5.
6.
Контрольные вопросы
Из каких составляющих складывается
тепловой баланс двигателя?
Как изменяются составляющие теплового
баланса от нагрузки и частоты вращения?
Что такое тепловая напряженность
двигателя?
Чем достигаются оптимальные условия по
тепловому состоянию двигателя?
Каков характер изменения удельного
теплового потока от рабочего тела к днищу
головки блока?
Какие детали двигателя наиболее
напряжены в тепловом отношении?
ЛЕКЦИЯ 15
Часть II
15.4 Системы наддува .
Мощность двигателя внутреннего сгорания
определяется объемом заряда, поступающего в
цилиндр в единицу времени. Сам заряд представляет
собой
топливно-воздушную
смесь,
которая
формируется у бензинового двигателя во впускной
системе, а у дизельных двигателей путем
непосредственного впрыскивания топлива в камеру
сгорания.
В полном объеме заряда составляющая объема топлива мала,
а объем необходимого для сгорания воздуха велик. И так масса
поступающего объема топлива определяется в конечном счете
предоставленным объемом кислорода (или объемом воздуха), то
справедлива следующая зависимость:
Рис. 15.4.1
Чем больше поступает воздуха, тем больше
мощности можно выжать из двигателя. Поэтому
исходная
цель,
связанная
с
увеличением
поступления воздуха в единицу времени, может быть
достигнута у двигателя без наддува различными
способами. И здесь как раз бы все внимание на
рабочий объем, как важнейшую базовую меру
пропускаемого количества воздуха. Но его у данных
двигателей можно увеличить только в определенных
границах, хотя и здесь зависимость достаточна
проста: больший объем допускает и больший расход
воздуха, а следовательно, и более высокую
мощность.
Эффективная мощность, приходящаяся
на единицу рабочего объема двигателя,
определяется по ранее приведенному
уравнению:
NЛ
где
H u i
M k
30 l 0 n
H u i
M k pe
l0 .
.
При данном рабочем объеме двигателя мощность может
быть повышена путем увеличения n или p e . Возможности
увеличения n ограничены средней скоростью поршня.
Рассмотрим возможности увеличения N Л за счет среднего
эффективного давления. Величина отношения i / определяется индикаторным процессом в цилиндре и на
современном совершенстве процесса рост ее возможен на
несколько процентов. Величина так же достигла высоких
значений. Уменьшение механических потерь так же не дает
резкого увеличения p e .
Плотность заряда к можно значительно увеличить, повышая
к . Этот способ называют наддувом двигателя. Пропорционально
p к возрастает p e , а следовательно, и литровая мощность
двигателя.
Степень наддува к p к / p 0 в современных двигателях
может быть низкая ( к 1,5 ), средняя ( 1,5 к 2 , 0 ), высокая
( к 2 ). При к 2 применяют промежуточное охлаждение воздуха.
Для наддува наиболее широко применяют
приводной нагнетатель (ПН) и турбокомпрессор (ТК).
Возможно использование ПН в качестве одной, а ТК —
другой ступени в комбинированной системе наддува,
что показано на рис. 15.4.2.
Рис. 15.4.2. Системы наддува двигателей
На рис. 15.4.3 показана схема ТК.
Рис. 15.4.3. Схема турбокомпрессора
В случае турбонаддува повышается работа выталкивания
газа, однако, поскольку для привода ТК используется энергия
ОГ, это позволяет улучшить топливную экономичность по
сравнению с ПН. Преимуществами ТК перед ПН являются также
большая компактность системы наддува, большее давление
наддува на средних и высоких частотах вращения, что
позволяет повысить степень форсирования двигателя
наддувом, а также меньший уровень шума. В то же время ПН,
имея жесткую связь с коленчатым валом, обеспечивает более
высокое давление наддува на малых частотах вращения, что
улучшает динамические качества транспортных средств и
уменьшает выбросы сажи дизелями на малых частотах
вращения и при разгоне. Только ПН на всех режимах работы
двигателя обеспечивает давление на впуске в цилиндр
большее, чем на выпуске, а это необходимо для осуществления
продувки двухтактных двигателей.
ТК в силу перечисленных достоинств
значительно шире используют для наддува 4х тактных ДВС, а ПН устанавливают в
основном на двухтактных дизелях.
Различают три вида систем наддува по
способу подвода газа от цилиндров к
турбине:
изобарная система с близким к
постоянному давлением газа перед турбиной.
Газы из всех цилиндров выходят в общий
выпускной коллектор большого объема, в
котором пульсации давления сглаживаются.
В стационарном потоке газа турбина
работает с высоким КПД;
импульсная система с турбиной, работающей в
пульсирующем потоке газа. Здесь газы подводятся к турбине от
нескольких групп цилиндров, объединенных общим участком
трубопровода. При этом обычно используют турбину с
парциальным подводом газа, т.е. когда газы от каждой группы
цилиндров подводятся к части окружности колеса. В одну группу
объединяются цилиндры с достаточно большим интервалом
работы (обычно два-три цилиндра), с тем чтобы их фазы впуска
по возможности не перекрывались. Сечение и длину впускного
коллектора стараются сделать минимальными для наиболее
полного использования энергии ОГ в турбине. Работа
импульсной турбины получается больше, чем изобарной, при
одинаковых условиях, поскольку потери энергии газа при его
перетекании из цилиндра к турбине меньше, а располагаемый
теплоперепад (сумма за цикл мгновенных располагаемых работ
газа) — больше. При импульсном наддуве снижается КПД
турбины.
Изобарные системы более эффективны
на больших частотах вращения и при
больших давлениях в выпускном коллекторе
(при
высокой
степени
форсирования
турбонаддувом), когда пульсации давления
сглаживаются, а импульсные системы — при
малых частотах вращения и сравнительно
низких давлениях в выпускном коллекторе
(обычно 0,16 МПа и ниже).
система с преобразователями импульсов
(рис. 15.4.4) является промежуточной и сочетает
выгоды от пульсации давления в выпускном
коллекторе (уменьшение работы выталкивания и
улучшение продувки цилиндра) с выигрышем от
уменьшения пульсации давления перед турбиной,
что повышает ее КПД.
Рис. 15.4.4. Система с расположением преобразователя
импульсов:
а, б – в выпускном коллекторе; в – в корпусе турбины:
1 – корпус турбины, 2 – рабочее колесо
При сжатии в компрессоре температура воздуха увеличивается и для
автотракторных двигателей обычно составляет 70...130 °С. Для снижения этой
температуры используется промежуточное охлаждение надувочного воздуха.
Применяются схемы воздухо-воздушного и водовоздушного охладителей
надувочного воздуха (ОНВ) рис. 15.4.5. Воздухо-воздушный ОНВ
устанавливается обычно перед масляным и водяным радиаторами двигателя.
Охлаждение надувочного воздуха происходит за счет обдувания ОНВ
встречным и создаваемым вентилятором потоками воздуха.
Рис. 15.4.5. Системы охлаждения воздуха:
а – воздухо-воздушная; б – водовоздушная;
1 – ТКР; 2 – двигатель; 3 – воздушный охладитель; 4 – масляный
радиатор двигателя; 5 – водяной радиатор двигателя; 6 – водяной
охладитель; 7 – водяной насос
В водовоздушном ОНВ используется жидкость из системы
охлаждения двигателя, с дополнительным водяным насосом, а
может использоваться и основной водяной насос системы
охлаждения.
Теплообмен от горячего воздуха к охлаждающей жидкости
происходит интенсивнее, чем к охлаждающему воздуху,
поэтому водовоздушный ОНВ более компактен, а кроме того, он
обеспечивает меньшую зависимость температуры надувочного
воздуха от температуры окружающего воздуха. Воздуховоздушный ОНВ обеспечивает более глубокое охлаждение, так
как температура атмосферного воздуха ниже температуры
жидкости из системы охлаждения.
Воздухо-воздушные
охладители
используются
при
невысоких степенях форсирования турбонаддувом и при
наличии встречного потока воздуха, что, как правило, относится
к автомобилям, а водовоздушный чаще устанавливают на
тракторах и строительной технике, где применяются более
высокие степени форсирования турбонаддувом.
• Регулирование турбонаддува. В силу различия
характеристик поршневых и лопаточных машин при увеличении
частоты вращения двигателя частота вращения ротора ТК
возрастает в степени 1,3...1,5, а это приводит к получению
недостаточной величины давления наддува на малых частотах
вращения и чрезмерно высокой на больших. В результате на
малых частотах вращения из-за недостатка воздуха снижается
мощность, а у дизелей при отсутствии антикорректора подачи
топлива по давлению наддува ухудшается экономичность и
возрастают выбросы сажи. На высоких частотах вращения при
высоком давлении наддува из-за увеличения потерь на трение
и газообмен также ухудшается экономичность и возрастают
максимальные давления сгорания, что может привести к
поломке двигателя. Кроме того, поскольку у транспортных
двигателей ТК, как правило, настраивается на промежуточную
частоту вращения, на крайних частотах вращения его КПД
снижается, что дополнительно ухудшает экономичность на этих
режимах.
Чтобы
обеспечить
более
благоприятное
изменение
давления
наддува
и
высокую
экономичность двигателя в широком диапазоне
рабочих
режимов,
применяют
регулирование
турбонаддува, при котором различными методами
достигают увеличения давления наддува на малых
частотах вращения и (или) уменьшения на больших.
Желательно также уменьшать давление наддува на
малых нагрузках. Необходимость регулирования
турбонаддува
возрастает
с
увеличением
номинальной частоты вращения двигателя и степени
его форсирования турбонаддувом.
Регулирование может быть внешним и внутренним.
Внешнее регулирование осуществляется вне ТК. Это
может быть дросселирование воздуха или газа на входе
и выходе из компрессора и турбины (позволяет
ограничить давление наддува, но при этом заметно
ухудшается экономичность). Можно настраивать ТК на
номинальный режим работы двигателя, а на малых
частотах
вращения
и
нагрузках
искусственно
подкручивать ротор либо струей масла, подающегося на
специальную турбину, либо путем подачи топлива и
воздуха в дополнительную камеру сгорания перед
турбиной (система «Гипербар») либо установка
электродвигателя
на
вал
ротора
турбины
и
компрессора. На режимах работы двигателя, где
используются такие методы регулирования, ухудшается
его экономичность.
Применяется также перепуск части воздуха после
компрессора и части газа, минуя турбину. Последний способ
регулирования (рис. 15.4.6) применяется наиболее широко.
Перепуск газа конструктивно прост, надежен, не приводит к
ухудшению экономичности двигателя на режимах, не требующих
регулирования (при закрытом перепускном клапане.
Рис. 15.4.6. Способ регулирования турбонаддува
В то же время при открытии перепускного клапана не
удается в полной мере достичь наилучших показателей
экономичности, поскольку при этом теряется энергия части ОГ,
движущихся в обход турбины.
Потерь энергии газа можно избежать при использовании
внутреннего регулирования, основанного на использовании
подвижных элементов в проточных частях компрессора и
турбины. Наиболее эффективна установка поворотных лопаток
в диффузоре компрессора и направляющем аппарате турбины
(рис. 15.4.7, а), однако такой способ может успешно
применяться в ТК, имеющих диаметры колес более 110 мм,
которые не используются для наддува основной массы
автомобильных и тракторных двигателей. Для небольших ТК
предложены различные способы изменения минимального
сечения подводящей улитки турбины Fто. С уменьшением Fто
увеличивается скорость входа газа на лопатки колеса турбины,
что ведет к повышению частоты вращения и соответственно
росту давления наддува. Однако при этом происходит
повышение противодавления газа в выпускном коллекторе, что
приводит к увеличению работы выталкивания. На малых
частотах вращения выгодно уменьшать величину Fто, поскольку
работа выталкивания на этом режиме мала, а на больших
частотах вращения и малых нагрузках — увеличивать.
На рис. 15.4.7, б показана турбина со ступенчатым
регулированием минимального сечения подводящей улитки.
При открытой заслонке газ подводится к колесу по обоим
каналам (Fто max), а при закрытой — только по одному
каналу (Fто min). Бесступенчатое регулирование показано на
рис. 15.4.7, в, г. На рис. 15.4.7, в уменьшение F то
достигается путем поворота диска с язычком, на рис. 15.4.7,
г — при закрытии двух заслонок на выходе из входного
патрубка.
Широкому применению внутреннего регулирования
препятствуют конструктивная сложность и недостаточная
надежность работы подвижных элементов в условиях
высоких температур и сажеотложения, которые имеют место
в турбине. Кроме того, наличие в проточных частях
компрессора и турбины дополни тельных поворотных
элементов приводит к уменьшению их КПД на всех режимах
работы.
Рис. 15.4.7. Методы внутреннего регулирования турбины:
а – поворотные лопатки в диффузоре компрессора и направляющем аппарате
турбины; б – подвод газа к колесу по одному или двум каналам; в –
поворотный диск с язычком; г – поворотные заслонки на выходе из
входного патрубка
15.5 Динамический наддув
В
трубопроводах
автомобильных
быстроходных
двигателей в процессе впуска и выпуска образуется
колебательное движение газов, вследствие чего возникает
волна давления. Это явление в выпускных и впускных
трубопроводах
можно
использовать
для
увеличения
поступающего в цилиндр массового заряда. Если, например,
настроить выпускную систему так, чтобы к концу процесса
выпуска в момент перекрытия клапанов вблизи выпускного
клапана образовалось разряжение, то количество ОГ,
вытекающих из цилиндра и него поступит большое количество
свежего заряда. Аналогичный эффект возможен также в том
случае, если концу процесса впуска (в период дозарядки) в
трубопроводу у впускного клапана давление будет выше
атмосферного.
Динамический наддув осуществляют путем подбора
соответствующих длин коллекторов.
15.5 Турбокомбинационый наддув
Фирма SCANIA разработала дизель с
оригинальной системой турбокомбина-ционого
наддува состоящего из двух турбин. Первая
турбина вращает компрессор (общепринятая
система турбонаддува), вторая – передает свою
энергию коленчатому валу двигателя (силовая
турбина).
Силовая
турбина
на
связана
с
компрессором,
передает
вращение
коленчатому валу через две понижающие
передачи. Частота вращения силовой турбины
3
1
50 10 мин .
Контрольные вопросы
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
Как связана мощность двигателя с потреблением
воздуха двигателем?
Способы увеличения мощности.
В чем преимущество увеличения мощности за счет
увеличения плотности воздуха на впуске?
Какие устройства применяются для наддува?
Какие виды систем наддува используются в
современных двигателях?
Когда необходимо охлаждать надувочный воздух?
Каким способом выполняется регулирование
наддува?
Что такое динамический наддув?
Документ
Категория
Презентации по физике
Просмотров
403
Размер файла
10 699 Кб
Теги
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа