книги из ГПНТБ / Теория двигателей внутреннего сгорания. Рабочие процессы учебник

При этом очевидно, что

nd~c fs = ~ r -

Для двухтактных двигателей с целью предварительной оценки геометрических размеров впускного и выпускного трубопро­ водов, обеспечивающих эффективнуюработу двигателя без специальных агрегатов продувки (рис. II. 1), возможно вос­ пользоваться уравнением для определения давления в ци­ линдре

где а и b — постоянные, определяемые по начальным условиям процесса очистки и наполнения цилиндра; т0 и k0 — динами-

■ 1_

h1

Рис. II. 1. Принципиальная схема газодинамического тракта двухтактного двигателя:

ческие коэффициенты, характеризующие декремент затухания воздуха давления в цилиндре и частоту «свободного.» колебания давления (без учета сил сопротивления); рСТ— некоторое сред­ нее «статическое» давление в цилиндре, находящееся в границах давлений продувочного воздуха в ресивере и выпускном коллек­ торе; а — текущее значение угла поворота коленчатого вала двигателя. Поскольку величины m0, k0 и рст зависят от геоме­ трических размеров системы газообмена, размерности двигателя и общих газодинамических свойств системы выпуска — продувки, то определение оптимальных резмеров системы может произво­ диться путем расчетного анализа различных конструктивных вариантов с выбором варианта, обеспечивающего наибольшее давление в конце наполнения.

Процесс «настройки» инерционных систем наддува является кропотливым и сложным и, с учетом сравнительно невысоких итоговых абсолютных показателей, инерционный наддув порш­ невых двигателей в настоящее время не находит широкого приме­ нения. В современных условиях развития двигателестроения «промышленное» значение по существу имеют лишь механиче-

197

ский, газотурбинный и комбинированный наддув. Во всех' этих случаях применяются специальные агрегаты наддува.

На рис. II.2 изображена принципиальная схема механиче­ ского наддува, для которого является характерным привод сред­ ства наддува (нагнетателя, компрессора) непосредственно от коленчатого вала двигателя. Механический привод нагнетателя может быть выполнен с постоянным или переменным передаточ­

фициента полезного действия двигателя, а также ограничением

с целью наддува мощных тихоходных судовых крейцкопфных двигателей нередко используются подпоршневые полости цилин­ дров. Для наддува двигателей средней и малой мощности наи­ более часто используются роторно-зубчатые или центробежные

нагнетателя, представляющего собою отношение величины ади­ абатической работы сжатия воздуха к величине работы, факти­ чески затраченной на сжатие. При относительно малом значении адиабатического к. п. д. компрессора, затраты мощности на сжа­ тие воздуха и температура последнего на выходе из компрессора

198

выше, вследствие чего плотность воздуха и весовой заряд воздуха при прежнем давлении наддува уменьшаются, индикаторная

ствующие участки индикаторных диаграмм двигателя без наддува

Для механических средств наддува практически существует предел повышения эффективной мощности двигателя, обусло­ вленный ростом NK и увеличением температуры Тк сжатого воздуха. Данный предел соответствует давлению наддува рк —

199

При рк = i ,6-f-l ,7 кгс/см'2, мощность привода нагнетателя соста­ вляет около 10% от индикаторной мощности двигателя и эконо­ мичность последнего существенно ухудшается.

В силу органических недостатков механического наддува, его применение в четырехтактных двигателях в основном ограничи­ вается двигателями сравнительно небольшой мощности при необ­ ходимости обеспечения ими выоокой манев­ ренности транспортного средства. Наиболее широкое применение в практике двигателестроения находит газотурбинный наддув (ГТН) с использованием энергии выпуск­ ных газов двигателя. В процессе работы двигателя с ГТН газы через выпускной кла­ пан цилиндра 1 двигателя направляются в газовую турбину 2 (рис. II.4) и, совершая работу на лопатках рабочего колеса, приво­ дят его во вращательное движение; в свою очередь, рабочее колесо турбины, механи­ чески связанное с рабочим колесом компрес­ сора 3, обеспечивает сжатие воздуха, заса­ сываемого из окружающей среды до давления наддува рк в компрессоре. Сжатый воздух поступает в цилиндр двигателя через впуск­

ной клапан 4.

В целом агрегат газотурбинного наддува, сочетающий газовую турбину и центробеж­ ный компрессор, обычно называют турбо­ компрессором (ТК). Для улучшения очистки камеры сгорания в четырехтактных двига­ телях применяется продувка камеры, до­ стигаемая одновременным открытием впуск­ ных и выпускных клапанов. Продувка камеры сгорания позволяет несколько сни­

зить температурные потенциалы ответственных конструктивных элементов двигателя и улучшить наполнение цилиндров. Опти­ мальный угол перекрытия клапанов при наддуве выбирается при­ менительно к каждой конструкции двигателя на основании экспе­

янном и переменном давлениях газа. В первом случае газ из цилиндров двигателя поступает в коллекторы достаточно боль­ шого объема (ресиверы), в которых давление газа, направляе­ мого затем к турбине, выравнивается. Во втором случае, помимо тепловой энергии газа, в турбине используется и кинетическая энергия газа (импульсная турбина), обусловленная его большой скоростью. Работая при постоянных параметрах газа, турбина

200

постоянного давления имеет более высокий к. п. д. Тем не менее, импульсная турбина срабатывает определенную часть кинети­ ческой энергии газа, не используемой в турбине постоянного

газов доля энергии импульса оказывается значительной, она бо­ лее рентабельна. В целом газотурбинный наддув является наибо­ лее экономичным из всех видов наддува. При его применении, помимо существенного роста эффективной мощности двигателя, возрастает также и эффективный к. п. д. двигателя, в связи с чем экономичность силовой установки с ГТН заметно улучшается (примерно на 4— 6%). Без какой-либо существенной модерниза­ ции двигателя ГТН позволяет повысить его мощность до 50—70%, а вообще мощность двигателя с ГТН по сравнению с мощностью двигателя без наддува может быть удвоена и утроена.1 Поскольку при свободном газотурбинном наддуве отсутствует механическая связь агрегата наддува с коленчатым валом двигателя, то приме­ нение турбокомпрессора несколько ухудшает тяговые характе­ ристики и приемистость двигателя. Эти обстоятельства связаны с ухудшением снабжения двигателя воздухом при уменьшении числа оборотов и значительной механической и тепловой (энергия выпускных газов и др.) инерцией двигателя и инерцией вращаю­ щихся масс ТК. Решение проблем, связанных с разгоном турбо­ компрессора на переходных режимах, обусловлено предельным

При больших расходах воздуха и газа через турбокомпрессор наименьшая инерционная масса ротора ТК может быть получена в так называемых радиальных центростремительных турбинах с консольным расположением турбинного и компрессорного колес.

Для улучшения внешней характеристики двигателя 2 в пер­ вую очередь следует отметить преимущества импульсной системы наддува по сравнению с системой постоянного давления. Так, при уменьшении частоты вращения двигателя импульсность по­ тока газов перед турбиной возрастает, что эквивалентно некоторому уменьшению пропускной способности турбины. Вследствие этого увеличивается располагаемый теплоперепад перед турбиной и улучшается снабжение двигателя воздухом. При этом наиболь­ ший эффект достигается при настройке ТК на режим максималь­ ного крутящего момента Мкртах. Так, при давлении наддува Д° Рк = 1,5—г—1,7 кгс/см2 в упомянутом случае удается обеспечить отношение величины максимального крутящего момента на валу

1 Сравни, например, данные по среднему эффективному давлению ре в табл. II.2, IJ.3, II.8 и II.9.

2 Не только двигателя транспортного назначения, но, в частности, и глав­ ного судового двигателя при движении судна против ветра, по мелководью, в би­ том льду и др.

201

двигателя к величине крутящего момента на номинальном режиме работы двигателя (коэффициент приспособляемости) 1,15— 1,18. Подобное же значение коэффициента приспособляемости до давле­ ния наддува рк = 2,0ч-2,2 кгс/см2 параллельно со специальной настройкой ТК может дать и перепуск части выпускных газов — до 15— 20%. В последнем случае относительное уменьшение рас­ хода газа через турбину при работе двигателя на больших часто­ тах вращения создает благоприятные условия для его работы на меньших частотах вращения.

Во всех случаях наиболее совершенным методом обеспечения воздухом двигателя, работающего по внешней характеристике, является применение регулируемого турбокомпрессора, позво­

компрессора. Несмотря на проведение компенсирующих меро­ приятий к общим недостаткам двигателей с ГТН следует отнести их несколько худшую приемистость и худшие пусковые свойства по сравнению с таковыми двигателями с механическим наддувом. Особенно резко недостатки газотурбинного наддува проявляются применительно к двухтактным двигателям, для которых энергия выпускных газов на частичных нагрузках двигателя и при его пуске вообще недостаточна для обеспечения работы ТК, а следо­ вательно, и самого двигателя. В связи с этим нередко возникает необходимость в дальнейшем усложнении системы наддува дви­ гателей с ТК, которая реализуется при применении комбиниро­ ванного наддува. Система комбинированного наддува выпол­ няется в различных конструктивных вариантах и обычно пред­ ставляет собой определенные комбинации механического и газо­ турбинного наддува.

На рис. II.5 представлен простейший вариант комбинирован­ ного наддува с применением ТК, механически связанного с колен­ чатым валом двигателя. При такой конструктивной схеме наддува любой небаланс мощностей турбины и компрессора компенси­ руется мощностью, снимаемой с коленчатого вала двигателя (мощность^ компрессора выше, мощности газовой турбины) или отдаваемой ему (избыток мощности газовой турбины).

202

§ 3. ГАЗОТУРБИННЫЙ НАДДУВ

При свободном газотурбинном наддуве непременным усло­ вием нормальной работы является равенство мощностей турбины и компрессора, т. е.

В соответствии со сказанным в гл. I при рассмотрении идеальных циклов двигателей с наддувом располагаемая работа адиабати-

Рис. II.6. Схема совмещенных индикаторных диаграмм четырех­ тактного двигателя и турбокомпрессора

ческого расширения газа может быть условно выражена пло­ щадью bfcb (рис. 1.11), а математически записана в форме

внешнее давление. Однако при относительно большом объеме выпускного коллектора двигателя газы с давления рв в цилиндре дросселируются до некоторого постоянного давления перед тур­ биной рг. Располагаемая работа при этом уменьшается на вели­ чину, в целом характеризуемую площадью диаграммы brkb

(рис. 1.11).

На рис. II.6 более детально представлена концевая часть инди­ каторной диаграммы четырехтактного двигателя с газотурбинным наддувом. Площадь okdio представляет работу компрессора, затрачиваемую на сжатие и подачу воздуха в цилиндр двигателя. Отрезок ka учитывает сокращение объема за счет промежуточ­ ного охлаждения и затраты воздуха на продувку.

203

Площадь nr'fin выражает работу турбины постоянного давле­ ния, а отрезок гг' представляет собой увеличение объема газов за счет продувочного воздуха и повышения температуры газов вследствие превращения части их кинетической энергии в теплоту в случае выпуска газов в общий коллектор. Полная энергия Е

гии Е 2 используется до 40—50% энергии Е г. В турбине постоян­ ного давления лишь незначительная часть энергии Е г используется за счет некоторого повышения температуры газов перед турбиной

ЦНИДИ, приведена на рис. II.7, по которому очевидно, что целе­ сообразность применения импульсного наддува ограничена обла­ стью сравнительно низких давлений наддува рк, не превышаю­ щих 1,8— 1,9 кгс/см2.

В первом приближении реальные возможности газотурбинного наддува можно оценить, исходя из упомянутого ранее равенства мощностей турбины и компрессора. Так, работа адиабатического

где Тк — температура конца сжатия; р 0— начальное давление сжатия; рк— давление наддува.

С учетом внутренних (газодинамических) потерь энергии, дей­ ствительная мощность компрессора NK составит

204

С учетом жаропрочных свойств материала лопаток газовой тур­

1 В данном случае г|к. ад учитывает все реально имеющие место аэродина­ мические потери энергии в компрессоре, исключая чисто механические потери.

205

Весовое количество газа Gr равно сумме весовых количеств воздуха GB и топлива GT, подаваемых в цилиндр (цилиндры) дви­ гателя

При заданных коэффициенте продувки цилиндра ф, коэффициенте избытка воздуха при сгорании а и теоретическом количестве воздуха L0, потребном для сжигания

единицы веса топлива,

G — — в -

т cpaL0 ’

откуда

бой некоторое среднее давление, обеспечивающее эквивалентную работу.

Задача обеспечения баланса энергий турбины и компрессора связана с очевидной задачей определения требующейся темпера­

туры выпускных газов (температуры газов перед турбиной) По равенству (II.8).

206