Меню
Express Yourself - это виниловые наклейки больших размеров.
Предыдущая     |         Содержание     |    следующая

Автомобильные двигатели

Газотурбинный наддув

При газотурбинном наддуве для сжатия воздуха и его нагнетания в цилиндры используется часть энергии отработавших газов. Это позволяет частично утилизировать перепад между давлением в конце процесса расширения в цилиндре и атмосферным, что характерно для цикла с продолженным расширением (см. рис. 15 и 16). Конструкция элементов систем газотурбинного наддува проста. Суммарная масса этих элементов, как правило, не превышает 8% массы дизеля.

Мощность дизелей при применении газотурбинного наддува может быть повышена на 50% и более. Токсичность отработавших газов вследствие протекания процесса при большем коэффициенте а меньшая, чем в дизеле без наддува. При надлежащей отработке конструкций и технологии, применении легированных материалов ресурс дизелей с газотурбинным наддувом может быть доведен до столь же высокого уровня, как и у дизелей без наддува. Стоимость двигателя, отнесенная к единице мощности, при наддуве будет меньшая. Этим определяется большая перспективность применения дизелей с газотурбинным наддувом в автомобильной технике. В то же время при больших преимуществах газотурбинного наддува его использование на автомобильных двигателях связано с преодолением существенных трудностей.

понижается. Такой характер протекания зависимости ра от частоты вращения не может обеспечить получение необходимого запаса крутящего момента и, следовательно, приемистости двигателя. Для получения требуемой формы скоростной характеристики необходим соответствующий выбор параметров газовой турбины и характеристик топливоподающеп аппаратуры, а также такая организация процесса смесеобразования, при которой достигаются оптимальные показатели двигателя в условиях эксплуатации. Далее очень важно обеспечить оптимальные показатели работы двигателя на наиболее вероятных эксплуатационных режимах, что также требует согласования процессов в двигателе и турбокомпрессоре.

Вследствие повышенной тепловой и механической напряженности при производстве двигателей, в которых применяется наддув, ужесточаются требования к используемым для его изготовления материалам.

(см. рис. 15), относительно невелика (менее 7%). Она тем меньше, чем выше степень сжатия воздуха лк в компрессоре. Для повышения эффективности цикла, осуществляемого в турбокомпрессоре, ведутся работы по повышению его КПД, а также по снижению газодинамических потерь в выпускном тракте и впускных системах дизелей.

I целесообразно применять конструкции головок цилиндров с двумя выпускными (и двумя впускными) клапанами на цилиндр.

В целях обеспечения прочности и допускаемой тепловой напряженности в автомобильных дизелях с газотурбинным наддувом в большинстве случаев величина пк не превышает 1,61,8. У отдельных моделей ее значение доводят до 2,02,2. При этих значениях лк часто применяют промежуточное охлаждение воздуха.

Для автомобильных и тракторных двигателей применяют компактные турбокомпрессоры с радиальными центростремительными турбинами и центробежными компрессорами. Схемы применяемых компрессора и турбины показаны на рис. 132.

На рис. 132, а приведена схема центробежного компрессора. Установленное на валу 3 колесо 2 компрессора вместе с направляющим аппаратом 7 вращается в корпусе 1. Направляющий аппарат снижает гидравлические потери при образующемся плавном обтекании передних кромок лопаток.

воздух поступает в воздухосборник 5, а затем при открытии впускного клапана (или окна) в двигатель.

" Треугольник скорости, построенный на входе газа на колесо турбины, позволяет при известной окружной скорости вращения колеса и определить величину и направление вектора относительной скорости и, с которой газ движется относительно входных кромок лопаток рабочего колеса. Скорость с2, с которой газ выходит из турбины, определяется по соответствующему треугольнику скоростей, построенному на оси спрямляющего аппарата 10.

На рис. 133 приведен общий вид радиальной центростремительной турбины ТКР-11Н, установленной на тракторном дизеле СМД-60. В центростремительной турбине газ на лопатках турбины движется от периферии к центру. В центростремительных турбинах облегчаются условия осуществления поворота лопаток в сопловом аппарате турбины, так как в этом случае создается возможность лучшего уплотнения торцовых поверхностей. Применение турбины с поворотными лопатками соплового аппарата позволяет эффективнее использовать газотурбинный наддув на переменных режимах, характерных для эксплуатации автомобильных двигателей.

Рабочие колеса турбины 11 и компрессора 2 расположены соответственно в корпусах 12 и 1. Они укреплены консольно на валу турбокомпрессора 3, вращающемся в подшипнике скольжения, который установлен в корпусе 13. Турбокомпрессоры данного типа имеют малую массу и обладают хорошей приемистостью. Общий КПД их высокий (более 0,5). Ресурс трубокомпрессоров приближается к ресурсу остальных узлов дизелей.

Окружная скорость рабочих колес турбокомпрессоров определяется напором, развиваемым компрессором. Для турбокомпрессоров автомобильных и тракторных дизелей окружная скорость равна 250380 м/с. В зависимости от уровней окружной скорости и температуры отработавших газов выбирают материал рабочего колеса турбины. При средней температуре газа 700 ""С и более колеса турбин

изготовляют из сплавов на никелевой основе. Для обеспечения высокой приемистости турбокомпрессора стремятся применять рабочие колеса с возможно меньшим наружным диаметром и, как следствие, с минимальным моментом инерции.

По окружной скорости и и диаметру рабочих колес вычисляют частоту вращения роторов. В последние годы отмечается увеличение частоты вращения роторов турбокомпрессоров на номинальном режиме двигателя до 50 ООО 80 ООО об/мин.

Для рабочих процессов, протекающих во всех элементах системы газотурбинного наддува, характерны циклические колебания параметров газового потока. Наиболее резко выражена нестационарность газодинамических процессов в выпускном газопроводе, соединяющем цилиндры с газовой турбиной. Это обусловлено большей интенсивностью возмущений потока в газопроводе в процессе свободного выпуска, резкой неоднородностью температур рабочего тела и ее изменением во времени, большими местными скоростями струй и т. д.

Выпускные патрубки группы цилиндров объединены в один выпускной коллектор, питающий секцию входного аппарата турбины. В рассматриваемом цикле из одного цилиндра выбрасываются отработавшие газы в коллектор, заполненный газами, поступившими в него в предыдущем цикле из другого цилиндра.

и скорость движения газа в коллекторе.

минимальное давление 0,12 рв.

изменения давления

наддувом, применяемых в быстроходных двигателях, составляет 0,40,8 и существенно снижается по мере повышения частоты вращения коленчатого вала. Величина А уменьшается также по мере увеличения числа цилиндров, питающих каждый коллектор.

Увеличение сечения Q приводит к снижению эффекта от импульсного движения газов, поступающих на колесо турбины. При этом уменьшаются потери в турбине, и их величины близко соответствуют условиям протекания процесса в турбине к расчетным. Снижение импульса несколько уменьшает газодинамические потери в начальной стадии выпуска газов из цилиндров в выпускную систему. В то же время увеличиваются затраты энергии на вытекание отработавших газов из цилиндров в стадии вынужденного выпуска при движении поршня к в. м. т. и ухудшается очистка цилиндра в конце процесса выпуска.

В дизелях большой мощности, которые могут использоваться на внедорожных автомобилях высокой грузоподъемности, наряду с импульсными системами наддува, применяются неимпульсные, в которых газ к турбине подводится при постоянном давлении. Величина А в таких системах понижена за счет увеличения площади сечения Q и соответственно объема выпускных коллекторов.

К положительным сторонам неимпульсных систем, кроме снижения уровня газодинамических потерь в проточной части турбпны и, как следствие, повышения КПД турбины, можно отнести также снижение газодинамических потерь в газопроводах. Недостатками импульсных систем помимо ухудшения условий очистки цилиндров и, в частности, их продувки являются снижение приемистости и увеличение массы систем наддува.

применение системы с постоянным давлением рт перед турбиной обеспечивает более высокий по сравнению с импульсной системой КПД турбокомпрессора.

Условия формирования рабочего процесса импульсной системы газотурбинного наддува четырехтактного дизеля, как видно вз рис. 134, наиболее благоприятны в секциях с числом цилиндров, кратным трем, вследствие отсутствия перекрытия фаз выпуска.

Для автомобилей широко применяют восьмицилиндровые дизели с V-образным расположением цилиндров и углом их развала 90° при угле между смежными кривошипами коленчатого вала 90°.

Для двигателей с таким расположением цилиндров и углом между кривошипами используют схемы газотурбинного наддува, в которых для каждого ряда цилиндров имеется отдельный газовый коллектор (рис. 135). Условия течения газа через газовую турбину при такой схеме зависят от чередования работы цилиндров. Подача газа в коллектор из одного ряда цилиндров начинается при сдвиге фаз в двух цилиндрах, соответствующих повороту кривошипа на 90°. В этом случае выпуск отработавших газов из последующего (по порядку работы) цилиндра в течение 90° поворота коленчатого вала происходит одновременно с выпуском в предыдущем цилиндре. В результате в процессе выпуска из этих двух цилиндров не наблюдается глубокого спада давления, характерного для импульсных систем наддува.

Выпуск из следующего по порядку работы цилиндров, расположенных в этом ряду, происходит через 270° поворота кривошипа. Поэтому давление газа в коллекторе в первой стадии выпуска из этого цилиндра существенно меняется, что характерно для импульсного наддува. Из следующего по порядку работы цилиндра газы выпускаются через 180° поворота кривошипа, и далее процесс повторяется.

Анализ такой схемы подвода газа к турбине при неравномерном чередовании вспышек показывает, что для одной объединенной группы цилиндров давление перед турбиной будет соответствовать условиям импульсного наддува, а для другой условиям наддува при постоянном давлении.

Расчет параметров турбокомпрессора. Необходимую мощность для получения расчетного пк определяют по формулам (227) и (228).

Работа, совершаемая в процессе адиабатного расширения 1 кг газа в газовой турбине:

показатель адиабаты продуктов сгорания. Эффективный КПД турбины

коэффициент, учитывающий механические потери.

Эффективная работа турбины

Мощность, развиваемая газовой турбиной,

Расход отработавших газов, проходящих через турбину,

можно определить из уравнения баланса мощностей:

откуда

Точный расчет импульсной турбины изложен в специальной литературе.

Реклама