Повышение показателей дизеля с газотурбинным наддувом.

ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ

ТРАНСПОРТ

Терещенко Е.С.,

аспирант кафедры двигателей,

Омский танковый инженерный институт имени Маршала Советского Союза П.К. Кошевого, филиал Военного учебнонаучного центра Сухопутных войск «Общевойсковая академия ВС РФ», г. Омск. Tereshchenko E.S.

ПОВЫШЕНИЕ ПОКАЗАТЕЛЕЙ ДИЗЕЛЯ С ГАЗОТУРБИННЫМ НАДДУВОМ

Аннотация. В статье автор рассматривает рабочий процесс дизельного двигателя с газотурбинным наддувом и возможности снижения энергетических потерь такого вида двигателя.

IMPROVING PERFORMANCE WITH THE TURBOCHARGED DIESEL ENGINE

SUMMARY. The author examines the working process of diesel engine with turbocharged and opportunities to reduce energy losses of this type of engine.

Ключевые слова: дизель, газотурбинный наддув, двигатель, турбокомпрессор, наддув, турбина.

Keywords: diesel, turbocharged, engine, turbocharger boost, the turbine.

Рабочий процесс дизеля претерпевает изменения в зависимости от скорости вращения коленчатого вала двигателя, давления надувочного воздуха, подачи топлива, нагрузки.

Наиболее характерным переходным режимом автомобильного дизеля является разгон, который характеризуется резким возрастанием нагрузки на двигатель и, соответственно, увеличением подачи топлива в цилиндры двигателя.

В двигателях с газотурбинным наддувом газовая связь между турбокомпрессором и двигателем создает особые условия при работе в переходных или неустановившихся режимах. Чем выше давление наддува, тем больше разница в работе двигателя с газотурбинным наддувом и без него. При работе двигателя в режиме разгона давление наддува повышается медленнее, чем частота вращения коленчатого вала двигателя, что приводит к уменьшению коэффициента избытка воздуха ниже допустимого значения. Способность турбокомпрессора быстро изменять давление наддува в соответствии с режимом работы двигателя зависит главным образом от момента инерции ротора.

развиваемый турбиной; ю - угловая скорость ротора турбокомпрессора;

ю ном угловая скорость ротора при мтном; ^^^^гтахутн.

Одним из важнейших показателей, определяющих качество протекания рабочего процесса дизеля как в установившемся режиме, так и в переходном процессе, является коэффициент избытка воздуха &, который является важным показателем как критерий качества протекания рабочего процесса в неустановившемся режиме работы двигателя [2]. Другие параметры, например, скорость вращения коленчатого вала и тепловое состояние двигателя, также оказывают большое влияние на протекание рабочего процесса, однако в большинстве случаев в неустановившихся режимах работы они не выходят значительно за пределы, определяемые полем статических характеристик [3].

Текущее значение коэффициента избытка воздуха зависит от начального его значения перед переходным процессом и определяется законом изменения подачи топлива и воздуха во время переходного процесса:

где а и ао - текущее и начальное значения коэффициента избытка

воздуха; Кв - относительное изменение подачи воздуха; Кт - относительное изменение подачи топлива.

Как показывают исследования [4], увеличение нагрузки при разгоне уменьшает значения а. Следует иметь в виду, что при разгоне двигателя перемещением рычага управления выход рейки на упор максимальной подачи топлива происходит практически мгновенно, и можно считать, что параметры регулятора не сказываются на изменении коэффициента избытка воздуха. Отсюда следует вывод, что для качественного протекания рабочего процесса в переходном режиме необходимо обеспечить условие:

При этом, если принять начало переходного процесса Т = 0 в качестве момента выхода рейки на упор, то Кт = max, Кв = о, тогда минимальное значение а в начале переходного процесса можно представить как:

1

где Jp - момент инерции ротора; MТном - номинальный момент,

X _ К +1 «О К +1

XmiiXX

К+1

Изменение можно выразить через изменения расхода топлива и воздуха для данного момента времени переходного процесса:

В качестве возможных воздействий на дизель, ограничивающих снижение а, могут быть использованы разные способы. Но, если стоит задача сохранения мощности и динамических качеств дизеля в переходном процессе, то, как следует из формулы (6), обеспечение необходимого значения Аа в каждый момент времени переходного процесса возможно только за счет изменения расхода воздуха при переходном процессе. Использование дизеля будет эффективным в том случае, если его номинальная мощность реализуется во всем диапазоне скоростей движения транспортного средства, то есть, если крутящий момент двигателя будет

изменяться по гиперболической зависимости: мКпьв=с°п.

Для дизеля с газотурбинным наддувом характерно резкое падение мощности турбины турбокомпрессора с уменьшением расхода газа. Это означает, что на режимах малых и средних нагрузок воздухоснабжение дизеля ухудшается.

Весьма эффективным способом качественного регулирования турбонаддува является уменьшение сечения соплового аппарата или проточной части корпуса турбины. Расход газа через турбину можно представить так:

где - пропускная способность турбины; Л - удельный вес газов

при выходе из турбины; Нг - располагаемый напор газа перед турбиной. Тогда

Применение соплового регулирования позволяет обеспечить необходимое давление наддува в широком диапазоне нагрузок и частот вращения коленчатого вала двигателя. В режиме разгона уменьшение проходного сечения увеличивает избыточный момент турбины и ускоряет разгон турбокомпрессора.

Рассмотрим результаты экспериментальных исследований перепуска воздуха и отработанных газов с целью регулирования наддува, проведенных производственным объединением «Автодизель» по двигателю ЯМЗ 8401,

предназначенному для установки на карьерные самосвалы БелАЗ-75471, -75481, -7423 грузоподъемностью 42-45 тонн, и шасси МЗКТ.

Повышение давления наддува на средних частотах вращения коленчатого вала и средних нагрузках для улучшения характеристик двигателя обуславливает необходимость применения турбин с уменьшенным сечением проточной части. Однако в этом случае в режимах, близких к номинальному, необходимо ограничить Рк из-за ограничения Рmax. Наиболее просто это сделать перепуском наддувочного воздуха или отработанных газов.

Целесообразнее ограничение Рк методом перепуска газа мимо турбины, так как такой метод позволяет применять турбину с меньшим сечением, а это приводит к большому возрастанию Рк на средних нагрузках. Однако существенным недостатком системы газотурбинного наддува с уменьшенным сечением проточной части турбины является приближение режимов работы двигателя к границе помпажа компрессора.

Система газотурбинного наддува с перепуском сжатого в компрессоре воздуха на вход в турбину позволяет обеспечить беспомпажную работу дизеля. Установлено, что при перепуске 1-2% воздуха частота вращения ротора турбокомпрессора может увеличиваться на 100-200 оборотов в минуту. Расход воздуха через дизель увеличивается на 1-2% за счет увеличения Рк на 0,5-1,0% [4].

Результаты испытаний по внешней характеристике показали, что при

применении регулируемого перепуска в диапазоне пдв = 0,55-0,65

суммарный коэффициент избытка воздуха увеличился на 3-5%, давление наддувочного воздуха увеличилось на 3-5%, а отношение Рк/Рг уменьшилось на 2%. Перепуск части воздуха из области нагнетания компрессора на вход в турбину улучшил характеристики рабочего процесса двигателя и

турбокомпрессора в режимах Ре = 50-70% и пдв = 0,55-0,65 при работе двигателя в критических режимах (когда один из ограничивающих параметров превышает критическое значение) [5].

Ограничение давления наддува на номинальных режимах целесообразнее осуществлять перепуском отработанных газов в обход турбины.

Анализ приведенных исследований дает основание полагать, что обеспечение качественного протекания переходного процесса работы дизеля с сохранением высоких энергетических и динамических показателей возможно путем регулирования давления наддува перепуском рабочего тела. При этом целесообразно обеспечить комбинированный способ регулирования: уменьшение сечения проточной части турбины и перепуск части воздуха из области нагнетания компрессора на вход в турбину при средних нагрузках и одновременное ограничение давления наддува перепуском газа в номинальных режимах работы дизеля.

Такое регулирование способствует сокращению области ограничения давления наддува в режимах полной мощности и позволяет уменьшить диапазон изменения сечения проточной части турбины. Это приводит к уменьшению выпускаемого количества воздуха и газа и, следовательно, снижению энергетических потерь двигателя.

ЛИТЕРАТУРА

1. Портнов, Д.А. Быстроходные турбопоршневые двигатели с воспламенением от сжатия [Текст] / Д.А. Порнов. - М. : Машгиз, 1983. - 693 с.

2. Симсон, А.З. Турбонаддув высокооборотных дизелей [Текст] / А.З. Симсон. - М. : Машиностроение, 1986. - 288 с.

3. Циннер, К. Наддув двигателей внутреннего сгорания [Текст] / К.Циннер. - Л. : Машиностроение, 1988. - 284 с.

4. Леонов, И.В. Анализ изменений коэффициента избытка воздуха дизеля с турбонаддувом на неустановившихся режимах работы [Текст] / И.В. Леонов // Двигателестроение. - 1981. - № 7. - С. 10 - 12.

5. Дехович, Д.А. Исследование регулирования параметров наддува методом перепуска рабочего тела [Текст] / Д.А. Дехович // Известия вузов. Машиностроение. - 1988. - № 11. - С. 72 - 77.