С дифференциальным наддувом

Комбинированный двигатель

Одной из возможных систем наддува является наддув с дифференциальным редуктором в приводе компрессора или газотурбонагнетателя (рис. 8.11).

Рис. 8.11. Схема системы дифференциального наддува. Д – двигатель, К – компрессор (объёмный, приводной), ДР – дифференциальный редуктор, В - вал отбора мощности.

Двигатель Д через дифференциальный редуктор ДР связан как с валом отбора мощности В, так и с приводным компрессором К (в данном случае предпочтительно –нагнетателем объёмного типа). При работе двигателя с такой системой повышение внешней нагрузки, а следовательно снижение частоты вращения вала В отбора мощности приводит к увеличению частоты вращения привода компрессора К (нагнетателя), т. е. увеличивается расход сжатого воздуха на двигатель, появляется возможность соответствующего увеличения подачи топлива, растёт развиваемый двигателем крутящий момент. На рис. 8.11. показана схема дифференциального редуктора. В данном случае коронная шестерня 3 связана с валом отбора мощности В. Водило 1 связано с коленчатым валом двигателя. Солнечная шестерня 5 выполнена заодно с шестерней привода компрессора через повышающую передачу (6, 2).

Таким образом, при снижении частоты вращения выходного вала В и коронной шестерни 3 увеличивается частота вращения сателлитов 4, частота вращения солнечной шестерни 5 возрастает, а следовательно растёт частота вращения шестерен 6 и 2 привода компрессора.

В случае дифференциального наддува возможно применение схемы, в которой дифференциальный редуктор связан с газотурбонагнетателем. В этом случае газовая турбина должна иметь сопловой регулируемый аппарат для согласования скоростей газа на входе в турбину с окружной скоростью газовой турбины, поскольку последняя зависит также от передаваемого на вал турбины крутящего момента от вала двигателя. Двигатель с такой комбинированной системой наддува (механическая связь плюс газоваясвязь двигателя с турбонагнетателем) обеспечивает практически постоянное увеличение крутящего момента со снижением частоты вращения, как это показано на рис. 8.12.

Рис. 8.12. Характеристика крутящего момента дизеля с дифференциальной системой наддува.

Коэффициент приспособляемости может быть увеличен до 1,5 – 1,8. Известно применение такой системы наддува на двигателе типа Перкинс, где был полученкоэффициент приспособляемости К = 2,0.

Повторимся, что такая система наддува наиболее применима для двигателей экскаваторов, различных грузоподъёмных машин и т. д.

8.5. Системы наддува “Максидайн” и “Гипербар”

Двигатели машин строительно – дородного назначения, а также транспортных средств общественного транспорта (автобусы и т. д.) редко работают на режимах полной мощности. Поэтому для них значительно более интересно иметь повышенные крутящие моменты в области пониженных частот вращения, чем высокие мощности на повышенных скоростных режимах. Работа на низких частотах с повышенным моментом позволяет снизить количество переключений передач или выполнить коробку передач с меньшим числом ступеней, а также обеспечить расход топлива, приемлемый на этих режимах. Конечно, в этом случае увеличивается достижимое ускорение, например, автобуса и т. д. Таким образом, для двигателей такого назначения нет необходимости форсирования двигателя на высоких частотах вращения, зато очень важно повысить развиваемый момент при пониженных частотах. Ранее были рассмотрены случаи, когда повышение крутящего моментасо снижением частоты вращения вала достигалось различным регулированием наддува, механическим приводом нагнетателя и т. д., причём, это достигалось при одновременном форсировании двигателя по мощности в области высоких скоростных режимов. Теперь мы не ставим задачу форсирования двигателя наддувом на номинале, зато требуем повышения крутящего момента двигателя с газотурбинным наддувом при понижении частоты вращения.

Ранее мы уже говорили о том, что оптимальный к. п. д. газовой турбины достигается при правильном выборе направления потока газа, входящего на лопатки турбины. И в большинстве рассмотренных ранее случаев этой оптимальности добивались на номинальном режиме. На других скоростных режимах, т. е. при других скоростях газа на входе в турбину в ряде случаев применяют регулируемый сопловой аппарат (последнее, конечно, усложняет и удорожает двигатель, а намалоразмерных двигателях часто является не решаемой задачей). Существо системы наддува “Максидайн” заключается в том, что оптимальности условий входа газа на лопатки газовой турбины добиваются на режимах с пониженной частотой вращения вала. Т. е. лопатки газовой турбины проектируются под параметры скорости отработавших газов именно на пониженных скоростных режимах. Очевидно, чтовэтом случае на режимах повышенных частот вращения газовая турбина работает на неоптимальных режимах, т. е. с потерей мощности, к. п. д. Исследования такой системы проведено фирмами МАСК и CUMMINS в США. Исследования показали, что с применением такой системы дизель на скоростном режиме порядка 55% от номинального имеет мощность на 40% более высокую, чем дизель без наддува. Однако, на номинальном скоростном режиме он теряет около 10% мощности, по сравнению с дизелем с естественным всасыванием.

Кривая момента дизеля с такой системой наддува приведена на рис. 8.13. Интересно сравнить её с кривой на рис. 8.11.

Рис. 8.13. Характеристика крутящего момента дизеля с системой наддува Максидайн.

Видно, что кривая 7 довольно похожа на кривую 6, которая представляет собой почти идеальную характеристику для двигателей указанного назначения, а достигается она с меньшими затратами при меньшей сложности системы наддува.

Системы наддува такого типа получили сравнительно широкое распространение в США, однако, не пользуются успехом на рынке Европы. И связано это прежде всего с тем, что европейский покупатель не хочет платить повышенные суммы денег за двигатель с наддувом, у которого мощность (номинальная, паспортная) меньше, чем у двигателя без наддува.

На рис. 8.14 приведён общий вид с разрезами дизеля MACK, оснащённого турбокомпрессором (ТК), выполненным по принципу “Максидайн”. Видна хорошая компоновка турбокомпрессора на дизеле, малые габариты ТК.

Рис. 8.14. Внешний вид автомобильного дизеля MACK, оборудованного турбокомпрессором, спроектированным для реализации принципа “Максидайн”.

Ещё более существенные возможности повышения крутящего момента в области пониженных частот даёт система наддува “Гипербар”.

Схема системы приведена на рис.8.15.

Рис. 8.15. Схема системы наддува Гипербар: 1 – пусковой двигатель, 2 – компрессор, 3 – заслонка, 4 – охладитель, 5 – перепускной канал, 6 – двигатель, 7 – выпускной канал, 8 – топливный насос с регулятором, 9 – камера сгорания, 10 – зона перемешивания воздуха и ОГ, 11 – выпуск ОГ, 12 – газовая турбина, 13 – выпускные органы, 14 – впускные органы, 15 – газотурбонагнетатель.

В системе “Гипербар” к газовой турбине 12 помимо выпускных газов дизеля 6 подводится непосредственно из компрессора 2 воздух, температура которого повышается за счёт сжигания топлива в специальной камере сгорания 9. При запуске дизеля сначала пусковым двигателем 1 раскручивают турбокомпрессор 15. Воздух из компрессора 2 через открытую заслонку 3 поступает в цилиндры дизеля 6, а затем в камеру сгорания 9. В ней горит запальное пламя и в неё подаётся топливо от насоса 8. После камеры сгорания 9 горячие газы подаются на газовую турбину 12, повышая развиваемую ею мощность. Турбокомпрессор 15 раскручивается, обеспечивая достаточный расход сжатого воздуха. Двигатель запускается. При повышении нагрузки, когда компрессор подаёт воздух повышенной температуры, заслонка 3 открывает проход воздуха уже через охладитель 4. Избыточный воздух проходит по перепускному каналу 5 и в зоне 10 происходит смешивание отработавших газов из дизеля 6 с избыточным (дополнительным) воздухом. Смесь поступает в камеру сгорания 9, где благодаря сжиганию дополнительного топлива температура газов повышается. Газы поступают на газовую турбину 12, увеличивая её мощность. За счёт перепуска воздуха мимо двигателя и впрыскивания топлива в камеру сгорания турбокомпрессор может работать и при остановленном дизеле. Камера сгорания может использоваться либо только на тех эксплуатационных режимах, где к турбине подводится слишком мало энергии с выпускными газами двигателя (в связи со слишком низкой температурой ОГ), либо в случаях, когда с газовой турбины снимается дополнительная полезная мощность. В настоящее время известно применение системы “Гипербар” во всём диапазоне скоростных режимов работы двигателя.

Такая система наддува обладает рядом особенностей. Так, дизель имеет низкую степень сжатия (e=7) для того, чтобы ограничить максимальное давление в цилиндрах при высоком наддуве. Турбокомпрессор имеет высокую степень повышения давления (p_к=5). При необходимости может применяться двухступенчатая система наддува. При пуске дизеля охладитель наддувочного воздуха отключается и воздух на входе в дизель подогревается (что необходимо из за низкой степени сжатия в поршневой части). При эксплуатации подогрев воздуха не нужен, так как компрессор имеет высокую степень повышения давления, наоборот, воздух охлаждается. Впрыскивание топлива в камеру сгорания и перепуск воздуха регулируются в соответствии с заданными законами. Небольшое запальное пламя всегда горит в камере сгорания.

Такая система обеспечивает получение высокого среднего эффективного давления (до 3,0 МПа) при сравнительно невысоком Р_z (14 МПа), т. е. Р_z/Р_е достигает порядка 4,67. Двигатель имеет высокую удельную мощность при умеренной тепловой нагрузке. На рис. 8.16. приведена характеристика шестицилиндрового дизеля с S/D =12,2/13,5, оснащённого системой “Гипербар”.

Рис. 8.16. Характеристика дизеля с системой наддува Гипербар.

А – расчётная рабочая точка, I – области режимов при рабоиающем турбокомпрессоре (ТК) и горящем запальном пламени в камере сгорания (КС), II – область работы с перепуском воздуха и его нагреванием для обеспечения самовоспламенения в цилиндре, III – режимы работы с перепусков воздуха и работой КС для обеспечения высокого давления наддува и высокого крутящего момента, IV – режимы с запасом мощности при работе только с ТК.

Расчётная рабочая точка обозначена буквой А. Зона (или область) I – это режимы, при которых дизель работает с турбокомпрессором, но без дополнительной камеры сгорания, в которой в это время горит лишь запальное пламя.

Область II – это режимы, при которых происходит перепуск части воздуха, а воздух, поступающий в двигатель, подогревается для обеспечения самовоспламенения в цилиндрах. Область III – это режимы с перепуском воздуха и работой камеры сгорания для обеспечения высокого давления наддува и высокого крутящего момента. Зона IV – это режимы, где работа двигателя происходит только со свободным турбонагнетателем, при выключенной камере сгорания.

На рис. кроме областей рабочих режимов показаны также характеристики расхода топлива. Т. е. в данном случае показана универсальная характеристика двигателя (удельный расход топлива g_e). Анализ характеристики показывает, что максимальная экономичность достигается на режимах работы дизеля лишь с системой турбонаддува. В области повышенных крутящих моментов, особенно при пониженных скоростных режимах, удельный расход топлива существенно возрастает.

Можно отметить, что если провести характеристику минимальных расходов топлива, то она хорошо совпадёт с винтовой характеристикой дизеля. Т. е. такая система наддува может быть наиболее приемлема (по понятиям экономичности) для силовой установки судового назначения. И действительно, одно из первых применений такой системы относится к корабельной установке. Например, силовая установка французского корвета. От двигателя такого назначения требуется не только обеспечение установившихся режимов (т. е. работа по винтовой характеристике с повышенной экономичностью), но и режимов быстрого разгона, т. е. приёмистости, как и для автомобильного двигателя. Для такой силовой установки важен также режим приёма нагрузки при пониженной частоте вращения, т. е. после пуска и перед началом разгона. Величина принимаемой нагрузки в этом случае определяетсяне винтовой характеристикой установившегося режима, а швартовной характеристикой, т. е. многократно превышает нагрузку установившегося режима. Т. е. необходимы высокие крутящие моменты при пониженной частоте вращения. Характер изменения крутящего момента приведён на рис. 8.17. Видно, что двигатель с такой характеристикой будет обладать высокой приспособляемостью и приёмистостью.

Рис. 8.17. Сравнение характеристик крутящего момента дизеля без наддува (1) и с наддувом при использовании системы Гипербар (8).

Недостатком двигателя с такой системой наддува является повышенный расход топлива, которое тратится дополнительно в камере сгорания, причём даже тогда, когда камера отключена, но в ней горит запальное пламя.

По сравнению с дизелем с газотурбинным наддувом дизель с системой “Гипербар” имеет расход топлива на 20 – 30 г/кВтч более высокий.

Дата добавления: 2014-12-26