Цикл Карно

Тема 9. Наддув ДВС как способ повышения технико-экономических показателей. Схемы наддува. Особенности рабочего процесса двигателя с наддувом. Способы использования энергии отработавших газов.

Повысить мощность дизеля при сохранении размеров цилиндров, их числа и частоты вращения коленчатого вала можно за счет увеличения цикловой подачи топлива. Качественное сгорание увеличенных доз топлива в цилиндрах обеспечивается возросшим воздушным зарядом. Размещение такого заряда в цилиндрах с сохранившимся объемом возможно лишь при повышении плотности воздуха.

Увеличение массы воздушного заряда цилиндра при газообмене за счет предварительного сжатия воздуха в компрессорах называют наддувом. Поскольку при сжатии воздуха в современных компрессорах он интенсивно нагревается, а это ведет к снижению плотности воздушного заряда н возрастанию тсплонапряженности деталей ЦПГ наддувочный воздух необходимо охлаждать. Наддувочные компрессоры современных ДВС получают энергию от газовых турбин, работающих на отработавших газах. Как правило, турбина и компрессор объединены в одном агрегате – турбокомпрессоре. Таким образом, современные дизели с наддувом – это поршневые двигатели с турбокомпрессорами и охладителями наддувочного воздуха.

Использование энергии выпускных газов. При выпуске из цилиндра газ обладает энергией, часть которой теряется еще до поступления газового потока в сопловой аппарат турбины. Потери энергии определяются особенностями газовыпускного тракта и параметрами отработавших газов.

Наглядное представление об использовании энергии выхлопных газов дает условная схема совмещенных индикаторных диаграмм турбины и поршневого двигателя (рис. 9.1). Процесс расширения в поршневом двигателе после НМТ представлен как бы происходящим в цилиндре с продолжающим увеличиваться объемом. Действительный же процесс расширения газов после открытия выпускных органов связан с истечением газов в выпускной коллектор, в процессе которого происходят взаим­ные превращения кинетической и потенциальной энергий, со­провождаемые потерями. Площадь индикаторной диаграммы, относящейся кработе газов внутри реального цилиндра, долж­на расцениваться как эквивалент действительно совершаемой внутри цилиндра работы. При этом площади диаграммы, соот­ветствующие работе газов вне цилиндра, следует рассматривать как потенциальные энергетические возможности отработавших газов и учитывать неизбежность необратимого рассеивания ча­сти их энергии до поступления на сопловой аппарат турбины.

Рис. 9.1. Схема совмещенных индикаторных диаграмм поршневого

двигателя и турбины в период процесса выпуска

В соответствии с рассмотрением в термодинамике циклов поршневых двигателей с наддувом, площадь b'еа'b' должна отображать энергию E ₁ отработавших газов в период свобод­ного выпуска непосредственно за выпускными органами. Большая часть энергии E ₁из-за преобладания в ней доли кине­тической составляющей в основном расходуется на преодоление потерь в системах с постоянным давлением в выпускном кол­лекторе. Некоторое количество этой энергии превращается в теплоту, что может быть отражено на диаграмме увеличением объема выпускных газов Δ V. После смешения газовых потоков в общем коллекторе устанавливается давление р _т. При срабатывании перепада давлений от р _т до р _о совершается работа в турбине постоянного давления с использованием энергии Е ₂ отображаемой площадью е'f'ige'. Если применить систему наддува с импульсной турбиной или с преобразователями импульсов, то можно увеличить долю использования энергии E ₁ в турбине, уменьшив соответствующие потери. При малых объемах выпускных коллекторов, характерных для импульсных систем наддува, давление газа, его температура и скорость перед турбиной будут переменными.

Из-за сложности определении параметров импульсной турбины на основе методик, учитывающих особенности действительно протекающих процессов, применяют упрошенные способы соответствующих оценок. В частности, располагаемую энергию изобарной турбины принимают за достигнутый минимум, а при необходимости более высокой энергии на валу турбины учитывают возможность срабатывания части энергии E ₁ введением эмпирических поправок. Для этой цели используют коэффициент импульсности k _и, равный отношению средних за цикл удельных адиабатных работ расширения импульсной и изобарной турбин при одинаковых параметрах поршневой части двигателя. Рекомендации по выбору k _и связывают с отношением E ₁/ E ₂ которое определяет возможность получения на турбине дополнительной энергии за счет рационального срабатывания импульса. Отношение E ₁/ E ₂ убывает с ростом давления наддува, в связи с чем применять импульсные системы наддува при высоких р_s нецелесообразно. В большей мере это относится к главным судовым двигателям, преимущественно работающим на режимах, близких к номинальному. Для судовых дизель-генераторов, работающих в широком диапазоне нагрузок, которые обычно существенно меньше номинальной, применение импульсных систем наддува может оказаться целесообразным и при невысоких давлениях наддува, соответствующих номинальному режиму.

Схемы комбинированных двигателей внутреннего сгорания (КДВС). Компрессоры, газовые турбины и охладители сочетаются с поршневой частью в КДВС на основе разнообразных схем, которые отображают, с одной стороны, особенности воздухоснабжения двигателя, а с другой – особенности использования энергии выпускных газов поршневого двигателя в газовых турбинах.

В качестве классификационных признаков при анализе таких схем обычно выделяют:

– способ привода компрессоров;

– вид включения компрессоров в газовоздушный тракт двигателя (ГВТ) и их число;

– особенность потребления энергии, вырабатываемой газовыми турбинами КДВС (рис. 9.2);

– особенности конструкции и работы газовынускных систем (рис. 9.3).

Рис. 9.2 Схемы комбинированных судовых двигателей:

––––––– – воздух; ------------ – отработавшие газы

При механической связи (рис. 9.2 а), компрессор 4 воздуха приводится в действие непосредственно от коленчатого вала двигателя 1 через механическую передачу – мультипликатор, повышающий частоту вращения вала компрессора. Такая схе­ма применяется в дизелях с низкой степенью наддува, а также в двухтактных дизелях без наддува. Основным недостатком рас­смотренной схемы является то обстоятельство, что на привод компрессора затрачивается значительная работа (мощность) двигателя, полученная в рабочем цилиндре. Это, в свою очередь, приводит не только к снижению мощности двигателя, но и к падению его экономичности.

Газовая связь турбокомпрессора с поршневым двигателем показана на рис. 9.2, б – д. В схеме двигателя с импульсным наддувом (рис. 9.2, б, в) отработавшие газы из рабочих цилиндров поступают непосредственно в турбину 5, которая называется импульсной, так как в ней срабатывает импульс давления га­зов, поступающих из цилиндра. В схеме с изобарным газотур­бинным наддувом (рис. 9.2, г) отработавшие газы из цилиндров выходят в выпускной коллектор 6, а затем практически при по­стоянном давлении идут в изобарную турбину 7. В схеме дви­гателя с двухступенчатым газотурбинным наддувом (рис. 9.2, д) газы сначала срабатывают в импульсной турбине 5, а затем в изобарной 7. Во всех схемах воздух после сжатия в компрессоре перед подачей его в наддувочный (продувочный) ресивер 2 охлаждается в специальном охладителе 3.

В двухтактных судовых дизелях широкое распространение получила и комбинированная связь. При такой связи воздух сжимается как в турбокомпрессоре, так и в приводном компрес­соре. В малооборотных крейцкопфных дизелях в качестве при­водного компрессора нередко используют подпоршневые по­лости (рис. 9.2, е). В этом случае воздух после компрессора по­ступает в подпоршневые полости (ПП) 8, где он дополнительно сжимается, затем поступает в наддувочный ресивер. В за­ключительной стадии продувки давление воздуха в ПП падает и воздух от компрессора идет непосредственно в ре­сивер.

При изобарном наддуве в некоторых схемах на режимах малых нагрузок турбокомпрессор не обеспечивает потребное двигателю количество воздуха. Тогда на этих режимах включа­ются электроприводные компрессоры 9, специально установлен­ные на двигателе (рис. 9.2, г).

Рис. 9.3. Схемы выпускных систем

(с – сопла; d – смесительная камера; e – диффузор; f – ресивер; g – турбина)

Схемы КДВС могут также принципиально различаться в зависимости от газовыпускных систем. По этому признаку их можно разделить на 3 группы, К первой группе газовыпускных систем относятся системы, обеспечивающие постоянное давление газов в выпускном коллекторе. Такие системы выполняют с одним коллектором большого объема на весь двигатель или, как минимум, на один ряд цилиндров. Патрубки цилиндров подсоединяют к коллектору подряд (рис. 9.3, а). Такие системы просты по конструкции, имеют минимальные размеры и массу, но при транспортировке газа в таких системах теряется значительная часть его энергии. По сравнению с другими системами здесь имеются потери при внезапном расширении потоков на входе в общий коллектор, потери на диссипацию энергии волны давления при расширении в коллекторе, потери при наложении волн давления и разрежения и при смешении потоков с разными параметрами в общем коллекторе. При низких значениях давления наддува, когда энергия импульса соизмерима с энергией изобарного потока, эти потери существенны. При увеличении давления наддува отмеченные недостатки системы будут компенсироваться высоким КПД изобарной турбины, работающей при постоянном давлении газов.

Ко второй группе газовыпускных систем относятся системы с переменным давлением в коллекторе и перед турбиной (системы с импульсной турбиной). Эти системы конструктивно отличаются от предыдущих наличием нескольких коллекторов, объединяющих группы цилиндров по определенному правилу. Суть правила в том, что процесс выпуска газа в коллектор от каждого цилиндра должен пройти без наложения с аналогичными процессами в других цилиндрах, подключенных к этому же коллектору. Чтобы исключить такое наложение, процесс выпуска в общий коллектор из каждого цилиндра должен происходить при закрытых выхлопных клапанах прочих цилиндров,

В соответствии с изложенным максимальное число цилиндров, объединяемых общим коллектором при импульсной системе наддува, не должно превышать

где φ_вып – общая продолжительность процесса выпуска,

С учетом реальных значений фВЬш для всех типов двигателей i _Σ ≤ 3. При i > 3 к газоприемной улитке импульсной турбины подсоединяют от 1 до 4 выпускных коллекторов (рис. 9.3, b). Каждый выпускной коллектор работает на свою часть сектора сопловой решетки, которая отделена от соседних перегородками, чтобы избежать наложения волн из различных коллекторов. Из-за работы в условиях переменных параметров потока на входе импульсная турбина значительную часть времени работает на нерасчетном режиме, поэтому КПД импульсной турбины ниже, чем у турбины постоянного давления.

К третьей группе конструкций относятся газовыпускные системы с преобразователями импульсов. В этих системах кинетическая энергия импульсов преобразуется в потенциальную с возможным уменьшением потерь. В результате энергия газов перед турбиной в таких системах выше, чем в системах с постоянным давлением и большим объемом ресивера, но параметры газа перед турбиной имеют переменные значения. Амплитуда их колебаний существенно Ниже, чем в чисто импульсных системах, но все же выше, чем в системах первой группы. Системы с преобразователями импульсов могут иметь разные конструкции. В системе, представленной на рис. 9.3, в, смесительная камера служит для обмена энергией между высокоскоростными и низкоскоростными потоками, что позволяет передать энергию импульсов всей массе газа и увеличить среднюю скорость смешанного потока. В диффузоре за смесительной камерой за счет снижения скорости увеличивается давление. В ресивере происходит дополнительное выравнивание параметров потока перед турбиной.

Если i _Σ = 3, то амплитудно-фазовая характеристика кривой давления на выходе из коллектора благоприятнее для обеспечения более высокого КПД газовой турбины, чем при i _Σ < 3. В этом случае преобразователи импульсов можно выполнять без ресивера и диффузора или даже без смесительной камеры. Последний вариант отличается от импульсной схемы системы только тем, что выпускные коллекторы объединяются перед входом в газовую турбину. Такую конструкцию называют многоимпульсной системой.

Системы с преобразователями импульсов являются импульсными системами наддува, но введение преобразователей импульсов позволяет существенно снизить отрицательное свойство обычных импульсных систем – пониженный КПД импульсных газовых турбин. При этом сохраняется такое положительное качество, как энергетическое превосходство над системами с постоянным давлением в коллекторе большого объема. Это преимущество убывает с ростом давления наддува в соответствии с рассмотренными особенностями соотношения кинетической и потенциальной энергией в отходящих газах. Поэтому переход к новым конструкциям ДВС с увеличенным П_к обусловил отказ от чисто импульсных систем. В частности, известны попытки применения систем с расширением газов в двух турбинах – импульсной и изобарной (рис. 9.2, г). В такой схеме одна часть энергии выпускных газов при р = var используется d импульсной турбине, а вторая часть при р = const – в изобарной турбине, работающей с более высоким КПД. При дальнейшем форсировании двигателя наддувом доля энергии отходящих газов, которую можно получить при р _т = const, настолько выше доли при р _т = var, что от применения импульсной турбины можно полностью отказаться без существенных потерь энергии выпускных газов. В связи с этим для современных двигателей с высоким наддувом, преимущественно работающих на номинальном режиме, целесообразно применять системы наддува с постоянным давлением газов в газовыпускном коллекторе или изобарные системы.

Двигатели, работающие в широком диапазоне изменения нагрузок, необходимо обеспечить высокой экономичностью не только на номинальном режиме, по и при пониженных давлениях наддува. В судовых энергетических установках такие режимы характерны для двигателей электростанций. Эти двигатели в основном изготавливают с импульсными системами наддува.

Литература

1. Двигатели внутреннего сгорания. Теория поршневых и комбинированных двигателей (под редакцией Орлина А.С. Круглова М.Г.) М., Машиностроение, 1983. –372с.

2. Двигатели внутреннего сгорания. Устройство и работа поршневых и комбинированных двигателей (под редакцией Орлина А.С. и Круглова М.Г.) М., Машиностроение, 1974. – 552с.

3. Фомин Ю.Я., Горбань А.И. и др. Судовые двигатели внутреннего сгорания. Учебник. Л. Судостроение, 1989.–334с.

4. Ваншейдт В.А. Судовые двигатели внутреннего сгорания. Л. Судостроение, 1977. – 392с.

5. Ленин И.И. Теория автомобильных и тракторных двигателей. М. Машиностроение, 1969. – 212с.

6. Дьяченко Н.Х., Костин А.К. и др. Теория двигателей внутреннего сгорания. Л., Машиностроение, 1974.-552с.

7. Архангельский В.И., Вихерт М.М. и др. Автомобильные двигатели. М., Машиностроение, 1967.– 496с.

8. Двигатели внутреннего сгорания. Системы поршневых и комбинированных двигателей (под редакцией Орлина А.С. и Круглова М.Г.) М., Машиностроение, 1985. – 456с.

9. Дизели. Справочник (под редакцией Ваншейдта В.А.) Л., Машиностроение, 1977. – 480с.

10. Гаврилов В.С., Кошкин С.В., Шмелев В.П.. Техническая эксплуатация судовых дизельных установок. М., Транспорт, 1985.– 288с.

11. Хандов З.А.Судовые ДВС (конструкция и расчеты). М., Транспорт. 1968. – 320с.

12. Хандов З.А. Судовые ДВС (теория) М. Транспорт, 1969. – 304с.

13. Попов Г.С. Регулировка и испытание топливной аппаратуры дизелей. Методические руководства и указания к лабораторным работам. Николаев, 1973. – 36с.

Цикл Карно є ідеальним циклом, він не може бути здійснений ані у жодній з машин, проте він є еталоном, з яким порівнюють цикли інших теплових машин.

Процеси циклу:

1-2 – ізотермічне розширення робочого тіла, підведення теплоти q₁.

2-3 – адіабатичне розширення.

3-4 – ізотермічне стиснення, відведення теплоти q₂.

4-1 – адіабатичне стиснення.

Властивості циклу Карно:

1. Термічний к.к.д. циклу не залежить від властивостей змінного робочого тіла.

2. Термічний к.к.д. визначається температурами вищого і нижчого джерел теплоти.

Для зворотного циклу Карно . Для незворотного циклу температури гарячого і холодного джерел теплоти відрізняються від температури робочого тіла відповідно на ΔТ₁ і ΔТ₂. Тоді

Перебіг оборотного циклу Карно на рисунку показаний стрілками.

3. Термодинамічні процеси ідеальних газів

Дата добавления: 2014-11-08