Назначение и место лопаточных машин в системе наддува двигателя внутреннего сгорания

Развитие двигателей внутреннего сгорания (ДВС) идет по пути по­вышения мощности двигателя при сокращении его габаритов и потребляемого топлива. Эта тенденция особенно актуальна для двигателей, предназначенных для установки на различные транспортные средства. Рост мощ­ности при сокращении его веса и габаритов позволяет увеличить полезное пространство транспортного средства, отво­димое под перевозку груза или размещение пассажиров. Кроме того, сокращение раз­меров двигателя при сохранении или увели­чении создаваемой мощности снижает его инерционность и со­общает транспорт­ному средству высокие динамические свойства. Поэтому созда­тели автомобилей требуют все более мощных двигателей при по­ниженных габаритных и весовых показателях.

Для стационарных двигателей требования сокращения разме­ров являются менее актуальными, но и отнюдь не второстепен­ными, поскольку значительные габариты машин усложняют и удорожают размещение установок (требуются помещения боль­ших объемов).

Из теории ДВС известно, что мощность двигателя определя­ется следующим выражением [1,4,14]:

где - константа;

- низшая теплота сгорания топлива, кДж/кг;

- количество воздуха теоретически необходимое для пол­ного совершенного сгорания топлива кг/кг;

- рабочий объем цилиндра, л;

- число цилиндров, шт;

– тактность двигателя (двух или четырехтактный);

- коэффициент избытка воздуха;

- индикаторный КПД;

- коэффициент наполнения цилиндра;

- механический КПД;

- плотность воздуха, поступающего в цилиндр, кг/м³;

– число оборотов коленчатого вала, об/мин.

Анализ выражения показывает, что мощность двигателя можно увеличить за счет роста числа цилиндров i ДВС при со­хранении их размеров, или увеличивая объема цилиндров . Оба этих пути приведут к росту размеров и веса двигателя в целом.

Другой путь увеличения мощности – рост частоты вращения коленчатого вала . Чем больше частота вращения, тем большее число рабочих циклов совершает двигатель в единицу времени. Однако такой путь развития сопровождается рос­том нагрузок на де­тали крившипно-шатунного механизма. Соот­ветственно рост частоты вращения во избежание снижения на­дежности должен компенсироваться усилением элементов двига­теля, что в свою очередь приводит к увеличению веса и га­бари­тов. Повышение быстроходности двигателя обуславливает высо­кую мощность трения, поскольку сила сопротивления пропор­циональная квад­рату частоты вращения n. Кроме того, обороты коленчатого вала ограничи­ваются скоро­стью движения поршня, которая не должна превышать 10…...12 м/с [15].

Еще одним направлением увеличения мощности является измене­нием тактности – применение двухтактного двигателя. У такого двигателя за рабочий цикл совершается за один оборот коленвала, что при одинаковых размерах и быстроходности позволяет совершить вдвое большую работу. Однако изменение числа тактов приводит к существенным изменениям в конструкции двигателя. Кроме того, рост мощности на выходном валу на практике происходит не в 2, а в 1,5... 1,7 раза, что связано с расходом мощности на привод нагнетателя, необходимого для запуска двигателя и про­дувку цилиндров.

Другое принципиальное направление повышение мощности – совершенствование рабочего процесса двигателя. Применение лучших и дорогих сортов топлив, увеличение коэффициента на­полнения, механического и индикаторного КПД, изменение ко­эффициента избытка воздуха, модернизация каналов впуска и выпуска конечно, влияют на выходную мощность. Однако при существующем уровне совершенства ДВС улучшение этих пока­зателей способно дать прибавку мощности, не превышающую 5…...10%.

Наиболее же перспективным путем повышения мощности явля­ется повышение плотности рабочего тела поступающего в ци­линдр . Он позволяет существенно увеличить мощность двигателя без существенного изменения габаритов и массы, при сохране­нии инерционных нагрузок и тактности. В результате увеличива­ется заряд цилиндра окислителем, что позволяет пропорцио­нально увеличить количество топлива, сжигаемого в цилиндре. А это в свою очередь дает большую теплоту, которая в дальнейшем преобразуется в механическую работу.

Кроме мощности пропорционально росту давления на входе в цилиндры растет и крутящий момент на выходном валу:

где - среднее давление цикла.

Хотя современные атмосферные двигатели могут достигнуть величины удельного крутящего момента свыше 100 Н×м/л двига­тели с наддувом даже при умеренных параметрах рабочего цикла превосходят эту величину более, чем на 50% [5].

Изначально наддув задумывался как способ повышения мощности ДВС, однако, со временем он стал применяться для улучшения экологических характеристик и снижения расхода топлива. В настоящее время более 90% дизельных и 6% бензиновых двигателей оснаща­ется агрегатами наддува. Практически все современные двигатели для мощной техники (локомотивов, грузовиков, воен­ной, строительной и дорожной техники) имеют системы наддува.

Двигатель с наддувом представляет собой комбинированный двигатель внутреннего сгорания. Под этим понимается комбинация порш­невого ДВС, лопаточных и поршневых машин сжатия, расшире­ния, теплообменников. Термодинамически в таком двигателе единое рабочее тело совершает соответствующий единый рабо­чий цикл. В комбинированном двигателе тепло, полученное от сгорания соответст­вующего топлива (или топлив), преобразуется в механическую работу. Полезная механическая работа может в об­щем случае сниматься с ко­ленчатого вала поршневой машины, с вала газовой турбины или с обоих валов. Компрессор с приводом турбиной называют турбонаддувом (в иностранной литературе обозначается термином Turbocharge), а компрессор с приводом от коленвала – механическим наддувом (Supercharge).

Увеличение заряда цилиндра, получаемое при использовании наддува, существенно повышает литровую мощность двигателя. В на­стоящее время литровая мощность двигателя с наддувом дос­тигла величины 110...120 л.с./л. В качестве иллюстрации на рисунке 1.32 приведена зависимость мощности ДВС при увеличении степени сжатия.

 

1 – без охлаждения надувающего воздуха; 2 – с охлаждением надуваю­щего воздуха до 65°С; 3 - с охлаждением надувающего воздуха до 65°С

Рисунок 1.32 – Зависимость мощности ДВС от степени сжатия в агре­гате наддува [19]

Положительный эффект от повышения литровой мощности может быть реализован двумя принципиально разными путями. Во-первых, повышение литровой мощности позволяет су­щественно увеличить мощность двигателя при практически не­изменных габаритах и весе силовой установки (рост не превы­шает 5×××10% и связан с установкой надувающего агрегата [5]). Данный факт ценен в случаях, когда требуется повысить мощ­ность силовой установки, лишь незначительно меняя конструк­цию самого двигателя. В настоящий момент существуют при­меры, когда внедрение наддува позволило увеличить мощность в 4 раза при практически одинаковых габаритах и массе.

Во-вторых, рост литровой мощности позволяет получить двигатель заданной мощности со значительно меньшими разме­рами и массой. Двигатель с объемом 1,5 литра и наддувом до 1 кг/см² эквивалентен по мощности трехлитровому двигателю [7]. Более компактные двигатели имеют меньшие насосные потери и потери трения [5]. В качестве иллюстрации на рисунке 1.33 приведено сравнение двух дизелей одинаковой мощности.

 

1 - Атмосферный восьмицилиндровый дизель; 2 - Пятицилиндровый дизель с наддувом.

Рисунок 1.33 - Сравнение размеров дизелей одинаковой мощности

Сокращение размеров ДВС позволяет сэкономить простран­ство в помещениях судна, локомотива, электростанции, подка­потном пространстве автомобиля и т.п. или сократить их раз­меры. Кроме того, существенное изменение размеров двигателя приводит к снижению его стоимости. Цена двигателя с наддувом ниже, чем цена на двигатель без наддува той же мощности.

Применение турбонаддува повышает эффективность работы двигателя, что выражается в снижении удельного эффективного расхода топлива. Основными причинами повышения экономич­ности дизеля с наддувом являются следующие:

а) выбор оптимальной степени повышения давления;

б) увеличение коэффициента наполнения цилиндра ;

в) более совершенное сгорание (большая полнота сгорания ), благодаря повышенному коэффициенту избытка воздуха α;

г) большая доля топлива сгорает при постоянном объеме, по­вышается степень повышения давления l;

д) зарядка цилиндра происходит воздухом повышенного дав­ления, благодаря чему появляется дополнительная положитель­ная работа, причем, энергия на предварительное сжатие воздуха отбирается не от двигателя, а от отработанных выхлопных газов (ОГ).

Это в первую очередь относится к двигателям с турбонадду­вом на режимах близким к максимальным. Рост эффективности превышает 7%. В качестве иллюстрации на рисунке 1.34 приведены нагрузочные характеристики по удельному расходу топлива дизе­лей с наддувом и без.

 

Рисунок 1.34 Сравнение нагрузочных характеристик по удельному расходу топлива дизелей с наддувом и без

Оснащение ДВС агрегатом наддува положительно сказывается на экологических характеристиках. Во-первых, установка турбины существенно снижает шум выхлопа. Во-вторых, уменьшается дымность и токсичность ОГ. Это связано с тем, что поток за компрессором обладает повышенной турбулентностью, что приводит к лучшему перемешиванию топлива с окислителем. Это позволяет организовать процесс горения при повышенном значении коэффициента избытка воздуха a (бедной смеси). Повышению интенсивности смешения топлива с окислителем способствует также размещение карбюратора перед компрессом у бензиновых двигателей. В результате топливо выгорает полнее, а количество несгоревшего топлива уменьшается. Это снижает концентрацию вредных веществ в выхлопе.

Ресурс ДВС с наддувом превышает моторесурс аналогичного безнаддувного двигателя. Это связано со следующими факто­рами:

- период задержки воспламенения в наддувном двигателе, как правило, уменьшается, так как впрыск топлива проис­ходит в среду с повышенной температурой. В результате снижается фактор динамичности цикла, сгорание стано­вится более мягким, пропадают характерные для дизеля ударные нагрузки;

- повышенный коэффициент избытка воздуха α позволяет лучше охлаждать камеру сгорания. Благодаря повышен­ному коэффициенту избытка воздуха, ОГ имеют более низкую температуру, не перегружают термическими на­грузками выпускной клапан. Благодаря наддуву среднее эффективное давление дизеля становится выше, но макси­мальное давление не возрастает в такой же степени, т.е. не возрастают нагрузки на подшипники и другие детали, что повышает срок их службы;

- использование ОГ в турбине снижает их температуру, уменьшая теплонапряженность выхлопных коллекторов, улучшаются условия работы каталитического нейтрализа­тора.

Повышение температуры и давления заряда в цилиндре позволяет на двигателе с наддувом применять нетрадиционные (альтернативные) более дешевые сорта топлив. Их особенностями являются пониженная воспламеняемость (низкие цетановые числа), повышенная вязкость и т. д.

При всех указанных достоинствах применение наддува обладает и рядом недостатков. Они зависят в первую очередь от применяемой схемы наддува, принципа его организации и конструктивного исполнения.

Главным недостатком механического наддува является то, что работа, необходимая для привода компрессора, отбирается от коленчатого вала, заметно сокращая полезную работу на выходном валу. Потеря мощности тем больше, чем больше степень сжатия. Доля мощности, идущая на привод компрессора, может превышать 15% мощности двигателя.

Двигатель с турбонаддувом способен дать существенное повышение мощности и крутящего момента на режимах близких к максимальным, но на низких режимах может проигрывать по данным показателям атмосферному двигателю (рисунок 1.34). С увеличением степени наддува, мощность двигателя на пониженных режимах снижется значительнее. Это связано с тем, что на пониженных режимах энергии ОГ недостаточно для достижения требуемой степени сжатия.

Турбина, установленная в выхлопном коллекторе, создает сопротивление выходящим отработанным газам. Это нагружает поршни двигателя, поэтому он должен совершать повышенную толкательную работу, что приводит к увеличению нагрузок на кривошипно-шатунный механизм и создает дополнительные потери.

У дизелей из-за высокого уровня степени сжатия высокий наддув приводит к чрезмерно высоким давлениям в цилиндре, т.е. высоким механическим нагрузкам. Для снижения этих нагрузок приходится снижать степень сжатия. При этом возникает проблема запуска дизеля и работы на малых нагрузках. При пуске, когда давление воздуха на входе в цилиндр равно атмосферному, низкая степень сжатия не обеспечивает получения достаточных для самовоспламенения топлива температур. То же может наблюдаться и при малых нагрузках, при "холодном" двигателе [1].

При изменении режима работы двигатель с турбонаддувом обладает худшей приемистостью по сравнению с атмосферными двигателями и двигателями с механическими компрессорами. Это является следствием отсутствия механической связи компрессора и поршневого двигателя. В результате разгон ротора турбокомпрессора происходит медленнее, чем разгон коленчатого вала. Это приводит к отставанию процесса снабжения цилиндров воздухом, из-за чего снижаются эксплуатационные, экономические и мощностные показатели.

Малая степень сжатия на пони­женных режимах работы, худшие пусковые характеристики и вы­сокая инерционность являются основными проблемами турбонаддува и многие модификации классической схемы направлены на повышение приемистости. Поэтому основная тенденция развития систем наддува направлена на преодоление этих недостатков, что обычно сопровождается усложнением конструкции.

Конструктивно двигатель с наддувом отличается от атмосфер­ного наличием устройства сжатия. Для сжатия воздуха на входе в цилиндры применяются компрессоры всех известных типов. В настоящее время наиболее распространенным является наддув с помощью центробежного компрессора с приводом от газовой турбины или коленчатого вала двигателя, поскольку ЦБК является единственным типом, обеспечивающим непрерывную подачу рабочего тела (другие типы подают его порционно) и единственным типом, для привода которого может применяться турбина.

Основная идея турбонаддува заключается в использовании для привода компрессора энергии турбины, в которой происходит расширение выходящих из цилиндра выхлопных газов до давления близкого к атмосферному. Эта энергия является «дармовой» - обычно энергия выхлопных газов просто выбрасывается и рассеивается в атмосфере без всякой пользы.

Наиболее распространенной является схема одноступенчатого турбонаддува. Она выглядит следую­щим образом (рисунок 1.35). Атмосферный воздух, пройдя воздушный фильтр, попадет в компрессор, находящийся в составе одного агрегата с турбиной и связанный с ней валом. Агрегат, состоя­щий из компрессора и турбины, установленных в общем кор­пусе, называется турбокомпресром и содержит также подшип­ники ротора и системы подвода и отвода масла. Сжатый воздух проходит через теплообменник, где охлаждается набегающим по­током или с помощью охлаждающей жидкости. Теплообменник не является обязательной деталью ДВС с турбонаддувом, но дос­таточно часто устанавливается для снижения температуры надду­вающего воздуха, что увеличивает плотность окислителя на входе в цилиндры. Затем сжатое рабочее тело попадает в двигатель. Отработанные газы из цилиндра подводятся к турбине, где рас­ширяются, совершая работу, которая расходуется на вращение компрессора.

 

 

Рисунок 1.35 - Принципиальная схема организации турбонаддува

Давление за компрессом может достигать значений недопус­тимых с точки зрения нагружения элементов двигателя, условия детонационного горения топлива или других соображений. По­этому степень сжатия компрессора ограничивается. При превы­шении установленного значения срабатывает клапан, перепус­кающий ОГ или их часть мимо турбины. В результате мощность турбины и частота вращения ТКР снижается, что приводит к уменьшению степени повышения давления в компрессоре. Опи­санная система регулирования не является единственной, суще­ствует множество других вариантов ограничения предельного давления за компрессором.

Схема турбонаддува, описанная выше, может считаться классической. Она обеспечивает ма­лый уровень механических потерь и может быть просто реализо­вана на существующем ДВС (в том числе с использованием го­товых ТКР).

На первый взгляд турбокомпрессор является довольно про­стым устройством. Однако, для сокращения его размеров с це­лью уменьшения массы и инерционности, частота вращения ро­тора ТКР все время увеличивается (в настоящий момент она достигает 80000×××…120000 об/мин). Кроме того, температура ОГ достигает 750°С. Эти факты приводят к тому, что создание тур­бокомпрессора является сложной научно-технической задачей. Для ее решения производители прибегают самым современным материалам и технологиям. Внешний вид типичного ТКР пока­зан на рисунке 1.36.

 

Рисунок 1.36 – Внешний вид типичного турбокомпрессора с радиальной турбиной

В качестве привода компрессора могут использоваться как центростремительные, так и осевые турбины. Осевые турбины имеют лучший КПД при больших расходах рабочего тела. Большинство ДВС грузовых и легковых автомобилей имеют небольшие секундные расходы рабочего тела, поэтому в них предпочтительнее применять радиальные турбины. Обычно такие турбины применяются при мощности агрегата наддува N=30×××700кВт. Мощные стационарные, локомотивные и судовые дизели имеют значительно больший расход рабочего тела и на них чаще применяются осевые турбины (рисунок 1.37). Они используются при мощности агрегата наддува N=250×××2500кВт. Наличие осевой турбины позволяет практически безошибочно говорить, что турбокомпрессор принадлежит ДВС большой мощности.

 

Рисунок 1.37 Турбокомпрессор ТК-34C локомотивного дизеля 10Д100 с осевой турбиной [15]