Охлаждение воздуха после компрессора

Необходимость снижения теплового состояния двигателя с наддувом и повышения его экономических и экологических показателей обусловили с 80-х годов прошлого столетия начало широкого внедрения охлаждения воздуха, подаваемого в цилиндры (охлаждения наддувочного воздуха - «ОНВ»). Для оценки степени влияния ОНВ на удельные показатели двигателя с газотурбинным наддувом воспользуемся уравнением (1.2), преобразованным относительно среднего индикаторного давления (удельной индикаторной работы)

, (9.1)

где – низшая теплота сгорания топлива; – коэффициент избытка воздуха; – теоретически необходимое количество воздуха для сгорания

1 кг топлива (кг возд./кг топл.); – индикаторный КПД; – коэффициент наполнения; – плотность воздуха перед впускными органами (на впуске); – давление и температура воздуха на впуске; – газовая постоянная.

При отсутствии охлаждения воздуха после компрессора значения практически равны соответствующим показателям на выходе из компрессора: .

Если первая часть уравнения (9.1) определяет факторы, влияющие на смесеобразование, сгорание при преобразовании теплоты в механическую работу по перемещению поршня, то произведение показывает факторы, влияющие на наполнение цилиндров свежим зарядом. Плотность заряда пропорциональна отношению давления наддува к температуре , поэтому снижение температуры надувочного воздуха является весьма привлекательным способом повышения показателей поршневых двигателей (ПД) с турбонаддувом [1, 2].

Рис. 9.1. Влияние ОНВ на температуры деталей ЦПГ по нагрузочной характеристике

При применении ОНВ уменьшается температура рабочего тела в цилиндрах, но наиболее заметно снижается максимальная температура цикла. Это приводит к соответствующему снижению средних температур деталей

цилиндро-поршневой группы (ЦПГ). На рис. 9. 1 приведено изменение температур головки цилиндров , поршня , цилиндра (верхний пояс) и величины снижения температуры воздуха в охладителе в зависимости от нагрузки при номинальной частоте вращения вала дизеля 8ЧН 13/14 [1]. В этой работе также приведены результата исследований,

согласно которым ОНВ позволяет заметно уменьшить тепловую напряженность двигателя. При и сохранении тепловой напряженности двигателя применение ОНВ позволяет получить увеличение на 80…100% и уменьшение удельного эффективного расхода топлива на 6% при снижении до 1,8…2,0. Охлаждение воздуха после компрессора может осуществляться различными методами.

Системы ОНВ отличаются по виду теплоносителя, используемого в охладителе, расположению теплообменника, по конструкции привода вентилятора, т.п.. Наиболее широкое применение получило охлаждение наддуваемого воздуха в теплообменниках (ТО) рекуперативного типа. Примерная классификация систем охлаждения воздуха приведена на рис. 9.2 [1].

В качестве теплоносителя используются воздух (система ВВ) при низких степенях повышения давления наддува или жидкость, обычно вода, (система ВЖ) при высоких .

Система ОНВ совмещённая с системой охлаждения двигателя (СОД) является относительно простой. Однако она приводит к заметному увеличению объёма впускной системы из-за значительной длины соединительных трубопроводов (К-ТО-ПД). Система, в которой перемещение охлаждающего воздуха осуществляется эжектором, действующим за счет энергии отработавших газов, применяется редко.

Рис. 9.2. Классификация систем охлаждения надувочного воздуха

Наиболее удобной является система ОНВ с автономным электрическим приводом вентилятора. Она обеспечивает лучшую компоновку и регулирование температуры наддувочного воздуха .

Теплообменники классифицируют по схеме течения теплоносителя: прямоточные, противоточные и перекрёстного типа, а также многозаходные, которые могут включать элементы выше названных схем. В системах ОНВ поршневых двигателей используют трубчатые теплообменники с гладкой поверхностью (рис. 9.3) и трубчато-ребристые (рис. 9.4). Применяются также пластинчатые теплообменники с каналами, имеющими форму: треугольную (рис. 9.5, б), трапецевидную (рис. 9.5,в) и зигзагообразную (рис.9.5,г). Каналы между пластинами выполняют те же функции, что и трубки. Листы из медных или алюминиевых сплавов между собой обычно соединяют пайкой, что обеспечивает компактную конструкцию. На рис. 9.5, а) приведена схема теплообменника с перекрестным течением охладителя и охлаждаемого воздуха.

Для вычисления температуры воздуха во впускном трубопроводе двигателя с системой ОНВ можно использовать уравнение [1], представленное в следующем виде

, , (9.2)

Рис. 9.3. Теплообменники с гладкими трубками	Рис. 9.4. Теплообменники трубчато-ребристые

Рис. 9.5. Пластинчатые теплообменники

где - коэффициент, учитывающий температурные перепады в теплообменнике; и - температуры воздуха на выходе из компрессора и после ОНВ, в °С;

- температура охлаждающего реагента на входе в теплообменник системы ОНВ; - коэффициент, учитывающий гидравлические потери и характеризующий затраты энергии на перемещение надувочного воздуха в теплообменнике; - показатель политропы сжатия.

Рис. 9.6. Схема ОНВ с турбодетандером

На дизелях мощностью выше 600 кВт находят применение более сложные системы ОНВ. На рис. 9.6 приведен пример такой системы [23]. После сжатия в компрессорах 1 и 2 воздух при температуре около 100°С поступает в рекуперативный теплообменник 3, где его температура понижается примерно до 35°С. Из охладителя 3 воздух поступает в воздушную центростремительною турбину 4 (турбодетандер), в которой он расширяется, вследствие чего температура его снижается до 15 – 16 °С. Из турбины 4 воздух поступает в двигатель 6. В турбине 5 используется энергия выпускных газов.

Охладить воздушный заряд можно также закрытием впускных клапанов до прихода поршня в нижнюю мёртвую точку. При перемещении поршня к НМТ после закрытия клапана воздух, поступивший в цилиндры, расширяется, при этом понижается его давление и температура. Однако эта схема, несмотря на её кажущуюся простоту, имеет существенный недостаток: уменьшается наполнение цилиндров из-за раннего закрытия впускных органов, что необходимо компенсировать более высоким давлением наддува.

Охлаждение путём впрыска в поток наддувочного воздуха воды не получил практической реализации из-за повышения износа деталей двигателя.

На согласование характеристик компрессора и поршневого двигателя применение ОНВ влияния практически не оказывает. Однако необходимо оценить влияние увеличения объёма впускной системы вследствие появления дополнительных объёмов теплообменника и соединительных трубопроводов системы ОНВ.

Пример системы охлаждения воздуха после компрессора приведен на рис. 9.7.

Рис. 9.7. Пример компоновки теплообменника в системе ОНВ

Применение системы ОНВ увеличивает габариты и массу двигателя, усложняет его компоновку и поэтому должно быть согласовано с положительным эффектом от её внедрения.

Дата добавления: 2014-10-17