Общие положения. При повышении литровой мощности поршневого двигателя, особенно транспортного назначения, с помощью турбонаддува возникает ряд проблем :

РЕГУЛИРОВАНИЕ НАДДУВА

При повышении литровой мощности поршневого двигателя, особенно транспортного назначения, с помощью турбонаддува возникает ряд проблем:

• возможность повышения тепловой и механической напряжённости деталей двигателя выше допустимых пределов;

• снижение топливной экономичности и возможный рост образования вредных веществ при работе двигателя с турбонаддувом на режимах, отличных от расчётного;

• заметное ухудшение приёмистости и работы двигателя на переходных режимах.

Эффективная совместная работа поршневого двигателя и турбокомпрессора происходит только на расчетном режиме, так как согласование расходных характеристик турбокомпрессора и поршневого двигателя выполняется, как правило, для узкого диапазона нагрузочных и скоростных режимов его работы. Сохранение эффективности при переходе на другие режимы и обеспечение необходимой приемистости двигателя в составе транспортного средства невозможны без регулирования наддува. Это подтверждается низкой эффективностью применения нерегулируемого турбонаддува на поршневых двигателях на транспорте. На рис. 10.1 приведены зависимости степени повышения давления π_к в компрессоре и степени понижения давления газа π_t в турбине турбокомпрессора TD 03-06 G (Mitshubisi) по нагрузочной характеристике дизеля 2ЧН10,5/12 [3].

Как видно, на расчётном (номинальном) режиме, при кВт, отношение π_к / π_t > 1, что свидетельствует о достаточно высоком КПД турбокомпрессра. При снижении нагрузки это отношение и, соответственно, КПД уменьшается. Необходимость регулирования наддува подтверждает также анализ изменения относительных показателей (мощности N_e / N_{e nom}, удельного эффективного расхода топлива g_e / g_{e nom} и температуры газов перед турбиной T _t/ T _{t max}) транспортного дизеля по скоростной характеристике, приведённой на рис. 10.2 (по материалам [1]). Как видно, на номинальном режиме регулирование наддува обеспечило повышение относительной мощности примерно на 5%, а в области малых частот вращения коленчатого вала это увеличение составило более 25%.

Рис.10.2. Влияние регулирования турбонаддува

на показатели дизеля по скоростной характеристике [1].

Показатель относительной экономичности g_e / g_{e nom} при регулируемом наддуве снизился примерно на 5% во всём диапазоне частичных скоростных режимов. Кроме того, для дизелей с нерегулируемым наддувом характерны более высокие (примерно на 5…10%) температуры отработавших газов, что свидетельствует о более тяжелых условиях работы турбины ТКР.

Ухудшение показателей комбинированного ДВС с нерегулируемым наддувом может быть объяснено тем, что, например, при уменьшении частоты вращения коленчатого вала может существенно уменьшиться расход газов через турбину. При неизменной пропускной способности турбины давление в выпускном трубопроводе уменьшается. Снижение давления в выпускном трубопроводе приводит к уменьшению степени расширения газов в турбине и, следовательно, к уменьшению развиваемой ей мощности. В результате, ротор ТКР замедляет свое вращение, что, как правило, приводит к уменьшению давления наддува p _k и расхода воздуха через компрессор G _k. Решить указанные выше проблемы, в определённой мере, возможно путём регулирования наддува.

Регулирование наддува предполагает приведение степени повышения давления π_k и расхода воздуха G _k к значениям, которые обеспечивают работу двигателя с турбонаддувом на любом установленном режиме с более высоким КПД. Это достигается соответствующими воздействиями на характер движения рабочего тела и конструктивные параметры проточных частей в агрегате наддува. При этом необходимо иметь в виду, что система регулирования наддува является составной частью системы регулирования комбинированного двигателя. На рис. 10.3 приведена схема газовых связей между элементами системы турбонаддува поршневого двигателя. На схеме показано, что эффективная литровая мощность его зависит от количества топлива и соответствующего количества воздуха , поступившего в цилиндр в процессе газообмена , где - частота вращения коленчатого вала; - эффективный КПД. Масса воздуха зависит от его плотности во впускном ресивере объёмом , которая равна . Для получения соответствия параметров, входящих в это уравнение, установленному режиму работы двигателя, необходимо регулировать расход воздуха через компрессор и его давление на выходе . Из уравнения мощности компрессора, преобразованного к виду , следует, что для регулирования расхода воздуха и давления наддува необходимо изменять КПД (регулирование со стороны компрессора) и (или) мощность , равную мощности турбины (регулирование со стороны турбины).

Рис. 10.3. Схема газовых связей в системе турбонаддува поршневого двигателя: _______ основной поток; _ _ _ _ перепуск газа (воздуха)

Регулирование со стороны компрессора осуществляется:

• дроссельной заслонкой на входе;

• поворотом лопаток во входном направляющем аппарате (ВНА);

• поворотом лопаток в лопаточном диффузоре.

К этому виду регулирования иногда относят выпуск наддувочного воздуха при превышении давления во впускном ресивере допустимого предела по тепловой и механической напряженности двигателя. Возможны способы: выпуск в атмосферу; перепуск на вход в компрессор; перепуск на вход в турбину (при ).

Регулирование со стороны турбины осуществляется изменением мощности турбины путём:

• перепуска газа минуя турбину;

• изменения парциальности подвода газа к рабочему колесу;

• изменения геометрии (поворот лопаток) соплового аппарата (СА).

• комбинации различных способов, включая: установку дополнительной камеры сгорания, электропривода и т.д..

Лучшие результаты регулирования обеспечиваются в турбокомпрессорах, имеющих поворотные лопаточные устройства. Поворот лопаток в этих устройствах обеспечивает движение воздуха и газа в межлопаточных каналах с меньшими потерями на трение и удар, т.е. с более высокими КПД и в соответствии с режимом работы двигателя.

Рассмотрим более подробно возможные и практически применяемые способы регулирования параметров наддува.

Дата добавления: 2014-10-17