Классификация и общая характеристика способов наддува

Если представить случай, что мощность на привод механического нагнетателя NB частично покрывается за счет газовой турбины (в двигателях с комбинированной системой наддува), то механический КПД выразиться зависимостью:

ηмехмн+ГТ= 1 — (Nмех + (Nв + NгТ)) / Niн , (№3)

  • где Nгт — мощность газовой турбины.

При одинаковом уровне форсировки двигателей (одинаковой индикаторной мощности) механические потери при комбинированной системе наддува будут меньше, чем при чисто механическом наддуве, на величину Nгт. Очевидно, что в комбинированной системе ηмех будет выше.

Представим крайний случай — газотурбонагнетатель полностью заменил механическую воздуходувку (т.е. обеспечен чистый газотурбинный наддув). Механический КПД еще более возрастет (так как Nв-Nгт = 0) И определится зависимостью:

ηмехГТ = 1 — Nмех/ N (№4)

Таким образом, при примерно одинаковых степенях наддува можно записать:

ηмехГТ  > ηмех мн+ГТ  >  ηмехмн

Такие соотношения КПД имеют место у реально выполненных конструкций как 4 — тактных, так и 2 — тактных двигателей. Максимальные значения ηмех при газотурбинном наддуве достигают ηмехгт   ≈ 0,95 (по сравнению с 0,70÷0,85 у двигателей без наддува).

 

Можно сказать, что использование энергии газов в газовой турбине представляет собой утилизацию тепла газов, отработавших в цилиндре дизеля. Для того чтобы использовать эту энергию непосредственно в цилиндре, потребовалось бы значительно увеличить ход поршня. Прирост индикаторной работы был бы сведен на нет дополнительными механическими потерями. Вот почему утилизация тепла с целью получения дополнительной работы задерживалась практически до тех пор, пока не появилась газовая турбина, способная с достаточной эффективностью использовать рабочее тело с большим удельным объемом при малых перепадах давления.

Утилизация тепла отработавших газов в газотурбонагнетателях была возможна в свое время только в 4 — тактных ДВС, у которых температура газа достигала 400÷450°С (по сравнению с 260÷290°С у 2 — тактных ДВС). При этом без какой-либо перестройки системы газообмена удавалось получить степень наддува λн = 1,2÷1,3 при Рк = 1,25÷1,30 ата. В настоящее время такие степени наддува — пройденный этап. В современных двигателях достигнуто λн — 2,5÷4,0 (2 — тактные дизели) и λн = 3,0÷5,0 (4 — тактные дизели). В опытных конструкциях достигнуты еще более высокие показатели.

Форсировка двигателей наддувом происходит уже не за счет утилизации тепла отработавших газов, а за счет перераспределения энергии между цилиндром и газовой турбиной путем более раннего открытия выпускных органов. Такой путь ведет к снижению экономичности индикаторного процесса собственно дизеля, у которого при более раннем открытии выпускных органов уменьшается индикаторная работа. Снижение термического и индикаторного КПД цикла учитывается соответствующим уменьшением степени последующего расширения газов в цилиндре δ = Vв / Vz при сдвиге точки b на индикаторной диаграмме влево.

В то же время, дальнейшая форсировка двигателей наддувом приводит к увеличению цикловых подачи топлива и вынесению сгорания на линию расширения. Это также уменьшает δ за счет роста степени предварительного расширения ρ; при этом индикаторный КПД снижается.

Судовой турбонагнетатель

Величина максимального давления в цилиндре Pz при условии ε — const растет менее интенсивно, чем давление наддувочного воздуха Рк и среднее индикаторное давление Pi. Тем не менее, у современных ДВС максимальное давление в цилиндре достигло величины Pz = 120÷140 кг/см2. Желание снизить или оставить на прежнем уровне Pz и повысить надежность подшипников коленчатого вала требует снижения степени сжатия ε. Такое решение широко используется в практике дизелестроения. Однако оно ведет к дальнейшему уменьшению термического и индикаторного КПД.

Несмотря на снижение индикаторного КПД собственно дизеля, эффективный КПД и удельный эффективный расход топлива у высокофорсированных двигателей с газотурбинным наддувом сохраняются на прежнем уровне или даже изменяются в лучшую сторону за счет:

  1. Увеличения механического КПД;
  2. Уменьшения доли тепла, передаваемого в охлаждающую воду;
  3. Более рационального использования тепла в газотурбонагнетателе (повышением КПД турбины и компрессора), что позволяет уменьшить долю потерянного хода поршня для обеспечения баланса энергии газотурбонагнетателя.

Рекомендуем к прочтению:

Влияние эксплуатационных факторов на работу турбокомпрессора и двигателя

Параллельный комбинированный наддув

Последовательный комбинированный наддув

Август, 09, 2016 322 0
Читайте также