3 Схемы комбинированных двигателей

1. Компрессор 2 и турбина 3 соединены с двигателем 1 отдельными механическими связями

2. Турбина 3 и компрессор 2 соединены между собой и через передачу 4 — с двигателем 1. Передача 4 может быть как механической, так и гидравлической. При гидравлической передаче можно плавно изменять параметры и количество воздуха, подаваемого компрессором

3. Избыточная работа турбины турбокомпрессора может быть передана на вал ДВС через простую механическую передачу (5), что наиболее целесообразно для среднеоборотных дизелей с турбонаддувом.

При разгоне ДВС и малых нагрузках, когда энергия турбины мала, компрессор получает мощность от вала ДВС. На больших нагрузках двигателя избыточная мощность турбины передается на вал ДВС.

4. Комбинированный двигатель с газовой связью турбины 3 и компрессора 2 с двигателем 1

5. Комбинированный двигатель с параллельным сжатием заряда. 4 — приводной компрессор

6)

а) комбинированный двигатель с последовательным сжатием заряда

б) комбинированный двигатель с последовательным сжатием заряда.

При схеме а) работа приводного компрессора меньше, чем работа компрессора 4 схемы б). КПД двигателя с такой схемой выше.

В комбинированном двигателе с последовательной схемой сжатия заряда может быть получена любая степень наддува, улучшены пуск и работа на переходных режимах и малых нагрузках, удобно осуществление охлаждения надувочного воздуха (ОНВ).

Привод компрессора 4 (в схеме б) может осуществляться от электромотора, независимым от ДВС, и включаться в период разгона двигателя — так называемый «электроподдерживаемый наддув».

Возможны также схемы «электроподдерживаемого» газотурбинного наддува с размещением электродвигателя на валу турбокомпрессора между колесами компрессора и турбины или вне их. В этом случае при избытке энергии отработавших газов ДВС электродвигатель работает в режиме генератора и отдает энергию в электросеть транспортного средства.

С хема «электроподдерживаемого» газотурбинного наддува.

1 - ДВС;

2 - компрессор;

3 - турбина;

4 - электрический мотор-генератор.

6. Схема двухступенчатого газотурбинного наддува

Такие схемы используются при больших степенях повышения наддува, когда получение высокого КПД центробежного компрессора в одной ступени затруднительно. Кроме того, переключением потоков газа и нагнетаемого воздуха возможно в широком диапазоне регулировать расход воздуха и давление наддува.

Избыточная энергия отработавших газов ДВС (при высоких нагрузках) может быть передана на вал ДВС или на привод его агрегатов (например, «турбовентилятор» системы охлаждения ДВС).

7 ) Комбинированный двигатель с силовой турбиной («турбокомпаундный двигатель»).

Здесь: 5 — редуктор с отключаемой муфтой (гидромуфта или муфта свободного хода), разобщающей силовую турбину с валом ДВС при малых нагрузках, когда энергия отработавших газов ДВС недостаточна для получения «полезной» мощности силовой турбины.

Схема подачи отработавших газов из ДВС сначала в силовую турбину, а затем в турбину турбокомпрессора, менее благоприятна, т.к. при уменьшении нагрузки ДВС и снижении теплосодержания газа прежде всего снижается работа второй ступени турбины, и это скажется на снижении мощности компрессора, уменьшении подачи воздуха, ухудшении приемистости ДВС.

Идеальные циклы двигателей с наддувом

В основе работы двигателей лежат физико-химические процессы преобразования тепловой энергии, выделяющейся при сгорании топлива, в механическую работу. Сложность процессов, протекающих в цилиндрах реального двигателя, их зависимость от большого числа конструктивных и эксплуатационных факторов в известной степени затрудняют решение практических задач, связанных с их анализом и расчетом. Поэтому при изучении теоретических основ двигателей рассматривают упрощенные схемы рабочих процессов, объединяемых в циклы. В качестве такой упрощенной схемы, позволяющей наиболее просто оценить совершенство тепловых процессов и получить отчетливое представление о возможных способах улучшения использования теплоты, получаемой от сжигания в двигателях топлива, принимается идеальный (термодинамический) цикл. Идеальный цикл представляет собой термодинамический круговой процесс преобразования теплоты в механическую работу. В отличие от действительных рабочих циклов, протекающих в реальных машинах, условно принимается, что в идеальных циклах отсутствуют какие-либо потери энергии, кроме отдачи теплоты холодному источнику. Эта потеря, согласно второму закону термодинамики, является неизбежной, без нее было бы невозможным осуществить преобразование тепловой энергии в механическую работу.

Двигатели с приводом нагнетателя от вала ДВС или от постороннего источника (двигатели с «механическим наддувом»)

Представим термодинамический цикл двигателя со смешанным подводом теплоты и наддувом от приводного нагнетателя в координатах P-V (давление-объем) и T-S (температура-энтропия).

Термодинамический к.п.д. установки ( ), состоящей из ДВС и нагнетателя (компрессора):

(1)

Здесь:

- теоретическая работа компрессора;

- теоретическая работа поршневого двигателя;

- относительная работа компрессора.

Таким образом, к.п.д. установки с приводным нагнетателем меньше к.п.д. поршневого двигателя.

Величину этого уменьшения к.п.д. можно подсчитать, используя основные зависимости идеального термодинамического цикла теплового двигателя.

Работа двигателя:

или

Здесь - степень сжатия в компрессоре.

Работа компрессора:

к.п.д. двигателя

Подставим значения и в уравнение относительной работы компрессора:

Но и - общая степень сжатия

или

Подставив значение в уравнение (1), получим

Из уравнения (2) следует, что чем больше или , тем на большую величину уменьшится к.п.д. установки.

Все выше отмеченное полностью относится и к среднему давлению цикла установки:

или

где

После подстановки в уравнение (4) получим

Итак, к.п.д. термодинамического цикла ДВС с механическим наддувом (с приводным нагнетателем) ниже, чем ДВС без наддува, ниже и установки.

В реальном двигателе некоторое уменьшение термодинамического к.п.д. компенсируется возрастанием механического к.п.д. установки ( ) при наддуве, т.к. абсолютная величина мощности механических потерь с переводом двигателя на работу с наддувом возрастает значительно меньше, чем индикаторная мощность.

или

Двигатель с турбонаддувом

Циклы с продолженным расширением и переменным давлением газов перед турбиной

Работа идеального цикла двигателя с турбонаддувом (установки):

- работа теоретического цикла двигателя;

- работа теоретического цикла импульсной турбины;

- работа теоретического цикла турбины постоянного давления;

- работа теоретического цикла компрессора;

- степень понижения давления ( )

При выпуске газов по изобаре (расширение газов в турбине до давления окружающей среды ).

В общем виде к.п.д. двигателя с продолженным расширением ( ):

Для установки (дизель с газотурбинным наддувом и продолженным расширением ):

где - общая степень сжатия

Среднее давление теоретического цикла установки:

Цикл с продолженным расширением и постоянным давлением газов перед турбиной

К.п.д. термодинамического цикла:

к.п.д. установки при этом равен термическому к.п.д. идеального цикла двигателя без наддува , имеющему степень сжатия _ε, численно равную общей степени сжатия в установке.

То же касается работы и среднего давления , которые будут теми же, что и у двигателя с таким же подводом теплоты, но при условии .

где

Вышеизложенное относится к газотурбинному наддуву, когда между коленчатым валом двигателя и валом турбокомпрессора имеется кроме газовой еще и механическая связь. Если такая связь отсутствует, и имеется лишь газовая связь, термодинамический к.п.д. установки будет определяться работой цикла только поршневого двигателя при соответствующей степени сжатия _ε и давлении наддува (см. Использованная литература, [7]).

Реальный цикл двигателей со свободным газотурбинным

наддувом

При свободном газотурбинном наддуве мощность турбины равна мощности компрессора:

Схема совмещенных индикаторных диаграмм четырехтактного

двигателя и турбокомпрессора.

Здесь:

п лощадь okdi - работа компрессора;

п лощадь b´ra´ - энергия отработавших газов (располагаемая работа адиабатического расширения газа);

п лощадь r´fin - энергия - работа турбины турбокомпрессора.

Энергия для получения механической работы используется не полностью, часть ее переходит в теплоту и идет на нагрев газа от параметров точки r к параметрам точки r´, а часть теряется через стенки системы выпуска.

Системы наддува, при которых значительная часть (в идеале вся) энергии превращается в работу турбины, называют импульсными системами наддува. При этом в значительной мере используется кинетическая энергия газов, выходящих из выпускных органов поршневого двигателя.

В системах наддува с турбиной постоянного давления кинетическая энергия газа переходит в тепловую энергию газа, поступающего в турбину, а частично теряется через стенки системы выпуска.

Сопоставим термодинамические циклы этих двух систем.

Пусть количество теплоты, подведенной в обоих циклах (цикл ocz´zfo – соответствует циклу системы с переменным давлением перед турбиной ТК; цикл ocz´zrr´f´o – соответствует циклу системы с постоянным давлением перед турбиной) одинаково. На диаграмме T-S эта теплота изображается площадью ncz´zmn. Количество теплоты , отводимое от первого цикла, равно площади nof´mn, от второго цикла – площади nof’m’n – на величину , изображенного площадью mff’m’ большей, чем в первом цикле. Тогда к.п.д. этих циклов можно представить как:

т.е. термодинамический к.п.д. комбинированного двигателя с турбиной переменного давления – «импульсной турбиной», выше, чем к.п.д. комбинированного двигателя с турбиной постоянного давления.

Однако при практическом осуществлении этих циклов следует учитывать, что в первом случае турбина в течение цикла работает с к.п.д., изменяющимся от нуля до максимального значения из-за резкого изменения энтальпии рабочего тела.

Условия работы турбины комбинированного двигателя – в сочетании с машиной периодического действия – неблагоприятны. Нестационарный поток, резкие изменения давления и температуры газов служат причиной потери работоспособности газов при перетекании их в турбину.

В системах наддува с турбинами постоянного давления амплитуда давлений и температуры газов невелики и определяются конструкцией выпускной системы ДВС. Это один трубопровод на все цилиндры (или один ряд цилиндров) большого поперечного сечения.

Схема выпускной системы наддува с турбиной

постоянного давления

Протекание давления и температуры газов за выпускным клапаном ( ) (до входа в коллектор) и на входе в турбину ( )

Турбина, работающая с постоянными параметрами газа, имеет более высокий к.п.д., чем при работе с переменными параметрами. Однако, при входе отработавших газов (ОГ) в коллектор теряется значительная часть работоспособности газа. Переход кинетической энергии потока газа в потенциальную энергию газа в коллекторе связан с потерями на дросселирование в выпускном канале (или окнах), потерями на внезапное расширение потока, вытекающего в коллектор, на диссипацию энергии волны давления при расширении в коллекторе, при наложении волн давления и разрежения и при смешении потоков газа в коллекторе.

В системе наддува с импульсной турбиной используется часть кинетической энергии газа, вытекающего из цилиндра.

В идеальном случае расширение газа происходит в турбине (в сопловом аппарате и в колесе) от параметров точки «b» до точки «f» с постоянной изменяющимся перепадом давлений. В реальном случае, т.к. между цилиндром и турбиной имеется отрезок трубопровода определенного объема, расширение идет не от точки «b», а от точки « ». Часть кинетической энергии при этом теряется также из-за гидродинамических потерь в выпускном клапане, потерь в соединении отдельных трубопроводов.

При импульсном наддуве выигрыш в большей работоспособности газа по сравнению с наддувом с турбиной, работающей при постоянном давлении, частично гасится снижением к.п.д. турбины, работающей при переменных параметрах.

Амплитуды Р_Т и Т_Т с подсоединением к ней выпуска

из трех цилиндров ДВС

Систему импульсного наддува проектируют таким образом, чтобы свести к минимуму потерю энергии волны давления. В таком трубопроводе предотвращается наложение волн давления и разрежения, а также смешение газовых потоков, вытекающих из отдельных цилиндров.

Выпускные трубопроводы выполняют относительно малого сечения, примерно равного площади полностью открытого выпускного клапана (клапанов)(или окон), с минимальной, по условию компоновки, длиной.

Объединяют выпускные патрубки в один трубопровод таким образом, чтобы не допустить одновременного выпуска из двух или более цилиндров. Предельно допустимое число патрубков (и цилиндров) для одного трубопровода:

Здесь: – угол опережения открытия выпускного клапана.

- угол запаздывания закрытия выпускного клапана.

Для двухтактного ДВС:

- продолжительность открытия выпускных органов (окон или клапанов), град. п.к.в.

Наиболее распространенные схемы выпускных систем двигателей с импульсной системой наддува:

Порядок работы цилиндров: 1-3-4-2

или 1-2-4-3

Порядок работы цилиндров: 1-2-4-5-3

или 1-3-5-4-2

Порядок работы цилиндров: 1-5-3-6-2-4

или 1-4-2-6-3-5

Порядок работы цилиндров: 1-2-4-6-5-3

или 1-3-5-6-4-2

Порядок работы цилиндров: 1-8-2-6-4-5-3-7

Для избежания наложения волн давления в улитке импульсной турбины с двумя или более входами ее разделяют перегородками.

Выпускная система четырехцилиндрового рядного ДВС с импульсной турбиной:

Изменение давления газов во входном сечении в патрубке импульсной турбины, питаемой от двух цилиндров четырехтактного ДВС.

Вследствие циклического изменения давления на входе в турбину в течение одного цикла меняется режим течения. Работа турбины в произвольный момент времени зависит от располагаемого теплоперепада , к.п.д. турбины и расхода газа в ней за бесконечно малый интервал времени:

Характеристика радиальной турбины.

u- окружная скорость на колесе;

Условная адиабатная скорость:

Окружная скорость на колесе в течение одного оборота меняется весьма незначительно (не более 3%), тогда как меняется очень сильно, вызывая изменения .

На нерасчетном режиме работы турбины происходит отрыв потоков и удар потока о лопатки, возникновение вихревой зоны. Импульсная турбина значительную часть времени работает на нерасчетных режимах, что снижает ее к.п.д.

На схеме представлено изменение относительной окружной скорости и эффективный к.п.д. импульсный турбины с подводом газа из трех цилиндров.

Подвод газа из трех цилиндров обеспечивает более высокий к.п.д., чем подвод из двух, а тем более из одного цилиндра.

Преимущества импульсного наддува перед наддувом с турбиной постоянного давления более заметны при низком давлении наддува и при низкой частоте вращения коленчатого вала ДВС. Для автотракторных двигателей – это режим максимального крутящего момента.

Ориентировочно эту зависимость можно представить в виде приведенного графика.

При высоком наддуве и высокой частоте вращения вала ДВС большие потери на выталкивание отработавших газов из цилиндров под большим противодавлением ухудшают механический к.п.д. двигателя и эффективность наддува.

Эффективность работы импульсной турбины оценивают средним за цикл (средневзвешенным) к.п.д., равным отношению полезной работы за цикл к работе турбины при обратимом процессе расширения:

Где τ – время полного цикла изменения давления.

Средний к.п.д. импульсной турбины меньше к.п.д. турбины постоянного давления, работающей при мало изменяющихся параметрах газа на входе. Однако работа (и мощность) импульсной турбины может быть как меньше, так и больше (при одинаковых условиях) работы турбины постоянного давления, т.к. потери работоспособности газа при перетекании его из цилиндра в турбину в импульсной системе меньше, а располагаемой (суммарной за цикл) теплоперепад больше.

Расчет осредненной работы и мощности турбины при импульсной системе наддува ведут интегрированием кривых изменения давления и температур газа в течение цикла.

Кривые изменения параметров выпускных газов

судового дизеля с ГТН

1 - кривая давления;

2 - кривая температуры;

3 - давление наддувочного воздуха

По данным ЦНИДИ:

- работа импульсной турбины.

– мощность импульсной турбины.

Работа турбины подсчитывается по формуле

где

( , п.к.в.)

и можно находить по упрощенной методике

- расчетный напор турбины

– действительный напор турбины

– поправочный коэффициент

- расчетный расход газов через турбину

– средний расход газов

– поправочный коэффициент

З

ависимость коэффициентов и от избыточного давления наддува для 4-тактных ДВС при выпуске газа из трех ( - , - ) и двух - , ) цилиндров в один трубопровод с турбиной: а – осевой; б – радиально-осевой.

З ависимость поправочного коэффициента (а) импульсной турбины от отношения - без учета перетекания газа; С учетом перетекания при выпуске газа: - из трех и - из двух цилиндров в один трубопровод;

б) отношение в зависимости от Рк.

В импульсной турбине с двумя или более входными патрубками, с улиткой, разделенной на секторы, дополнительные потери возникают в связи с парциальностью работы турбины. При этом перетекание газа через зазоры из сектора с большим давлением в сектор с меньшим давлением снижает к.п.д. турбины, причем тем больше, чем больше степень парциальности турбины.

Степень парциальности – отношение площади поперечного сечения (длины дуги) направляющего соплового аппарата, включенного в работу, по всей его площади.

Степень парциальности турбины с двумя одинаковыми секторами может быть равна 0,5 или 1; с тремя - , или 1.

Характеристика турбины при различной степени парциальности

подвода газа:

В реальных системах наддува осуществление расширения газов в турбине от давления в точке «в» до давления (давление за турбиной) невозможно из-за гидродинамических потерь в выпускном клапане, конечного объема и длины трубопровода между клапаном и входом в турбину, потерь в соединении отдельных трубопроводов.

Для уменьшения потерь энергии при расширении газов в коллекторе при турбине постоянного давления используют импульсную систему с преобразователями импульсов.

Схема импульсной выпускной системы:

Порядок работы: 1-2-4-3

или 1-3-4-2

Схема выпускной системы с преобразованием импульсов:

1- сопла;

2- смесительная камера;

3- диффузор;

4- ресивер;

5- турбина.

В смесительной камере преобразователя импульсов происходит турбулентное смешение двух потоков газа, вытекающих из сопел на концах двух трубопроводов. В результате обмена энергией полное давление низкоскоростного потока повышается за счет энергии второго, высокоскоростного потока, причем амплитуды колебаний скоростей и давления потоков смесительной камере уменьшаются. Восстановление давления в диффузоре за смесительной камерой так же способствует уменьшению амплитуды волны давления. В таком же направлении действует и ресивер (объемом до 2,5 объемов одного цилиндра ДВС), установленный между диффузором и турбиной.

В импульсной системе с преобразователем импульсов турбина работает в лучших условиях, чем в системе без преобразователя: уменьшаются амплитуды колебания давления и скорости; из преобразователя газы поступают в турбину с неразделенной улиткой, и потери из-за парциальности подвода газа не возникают.

Все эти факторы повышают к.п.д. турбины, несмотря на дополнительные потери в преобразователе, связанные с необратимым процессом смешения потоков газа.

Возможны конструкции укороченных преобразователей импульсов без ресивера и диффузора, и, наконец, без ресивера, диффузора и смесительной камеры.

Под воздействием высокоскоростного потока возникает эжекторный эффект в смежном трубопроводе, причем каждый из двух трубопроводов в течение цикла становится попеременно то эжектирующим, то эжектируемым.

Примером такой схемы может служить система наддува дизеля семейства ЯМЗ-8423:

Варианты системы выпуска с преобразователями импульсов представлены на приведенном рисунке:

а)

б)

в)

г)

д)

Преобразователи импульсов:

а)-в)- в выпускном коллекторе;

г)-д)- в турбокомпрессоре;

На современных автотракторных двигателях, работающих в диапазоне частоты вращения 1200-2200 и давлении наддува 1,4-2,2 бар, наиболее часто используется вариант преобразователя импульсов «д», в виде сдвоенной улитки соплового аппарата.

Таким образом, применение системы наддува с преобразователями импульсов позволяет в значительной мере использовать кинетическую энергию потока отработавших газов, и в тоже время сгладить колебания давлений перед турбиной и повысить ее к.п.д.

Считается, что импульсные системы наддува целесообразно применять при давлениях наддува до 1,7-1,9 бар и при сравнительно низкой частоте вращения вала двигателя (меньше 1800 )

Для получения благоприятной характеристики протекания крутящего момента по частоте вращения транспортного двигателя используют импульсную систему наддува, выигрывая в показателях при низких n и проигрывая при высоких.

система постоянного давления

импульсная система

Для транспортных ДВС, работающих значительную часть времени на частичных скоростных режимах, система импульсного наддува может оказаться предпочтительней.

В высокооборотных ДВС (двигатели легковых автомобилей), а также форсированных по давлению наддува стационарных и судовых дизелях ( более 1,8-1,9 бар) в настоящее время применяют систему наддува с постоянным давлением.