Скоростной наддув на аэродинамическом эффекте преобразования скорости потока воздуха в статическое давление

Лекция №7

Скоростной наддув на аэродинамическом эффекте преобразования скорости потока воздуха в статическое давление; конструктивно он может быть реализован в виде воздухозаборного патрубка, направленного на встречу потоку воздуха при движении какого-либо транспортного средства вместе с двигателем. Однако для реальных скоростей передвижения наземных транспортных средств порядка 40-60 м/с (180-200км/ч) получаемое избыточное давление не обеспечивает достаточного количественного эффекта повышения мощности поршневых двигателей, поэтому скоростной наддув этих двигателей не находит практического применения.

Инерционный наддув двигателей основан на колебательных явлениях участвующих в газообмене масс газов и при правильном выборе геометрических размеров всасывающих и выпускных трубопроводов он в отдельных случаях дает возможность увеличить  эффективную мощность двигателей на 20-30%. В частности, для инерционного наддува четырехтактного двигателя длину впускного трубопровода постоянного сечения можно рассчитать по выражению ,

где - опытный коэффициент, характеризующий динамические свойства всасывающей системы двигателя;

 - коэффициент расхода всасывающей системы, включая органы распределения;

 - средняя скорость звука в газе по температурному состоянию газа в цилиндре двигателя;

 - полный объем цилиндра;

 - угол поворота коленвала двигателя, соответствующий инерционной дозарядке (наддуву) цилиндра;

 - частота вращения коленвала;

Рекомендуемые материалы

 - живое сечение впускного трубопровода.

Величина  должна определяться из условия обеспечения достаточной скорости воздуха в трубопроводе для создания инерционного эффекта.

Процесс «настройки» инерционных систем наддува является кропотливым и сложным и, с учетом сравнительно невысоких итоговых абсолютных показателей, инерционный наддув поршневых двигателей в настоящее время не находит широкого применения. В современных условиях развития двигателестроения «промышленное» значение по существу имеют лишь механический, газотурбинный и комбинированный наддув. Во всех этих случаях применяются специальные агрегаты наддува.

Рассмотрим механический наддув. Его применение в четырехтактных двигателях в основном ограничивается двигателями сравнительно небольшой мощности при необходимости обеспечения ими высокой маневренности транспортного средства.

Преимущества механического наддува:

1) обеспечивает хороший пуск и удовлетворительную приемистость двигателя – свойство, особенно важное для двигателей транспортного назначения.

Недостатки:

1) некоторое ухудшение экономических показателей двигателей при его применении, обусловленное затратой энергии на привод компрессора и связанным с этим ухудшением механического К.П.Д.

2) ограничение наддува областью лишь его утерянных численных значений.

В качестве агрегатов наддува практически могут применяться самые разнообразные конструкции нагнетателей. Для наддува мощных тихоходных судовых крейцкопфных двигателей нередко используются подпоршневые полости цилиндров. Для наддува двигателей средней и малой мощности наиболее часто используются роторно-зубчатые или центробежные нагнетатели. Экономичность и эффективность работы двигателя с наддувом существенно зависит от адиабатического К.П.Д.  нагнетателя. Рассмотрим соответствующие участки индикаторных диаграмм двигателя без наддува и с механическим наддувом.

 - эффективная мощность двигателя с механическим наддувом.

При этом в последнем случае при =1,6÷1,7 кг/см² , мощность привода нагнетателя составляет около 10% от индикаторной мощности двигателя и экономичность последнего существенно ухудшается.

Наиболее широкое применение в практике двигателестроения находим газотурбинный наддув (ГТН) с использованием энергии выпускных газов двигателя. В процессе работы двигателя с ГТН газы через выпускной клапан (окна) цилиндра двигателя направляются в газовую турбину и, совершая работу на лопатках рабочего колеса приводит его во вращательное движение. В свою очередь, рабочее колесо турбины, механически связанное с рабочим колесом компрессора, обеспечивает сжатие воздуха, засасывающего из окружающей среды до давления наддува  в компрессоре. Сжатый воздух поступает в цилиндр двигателя через впускной клапан (окна).

Преимущества данной схемы:

1) простота конструкции и меньшие, как правило габаритные размеры

2) газотурбинный наддув является наиболее 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%).

3) возможность использования готовых ТК при совершенном состоянии развития комбинированных двигателей.

Недостатки:

1) худшие по сравнению с двигателями с механической связью приемистость и пусковые качества вследствие главным образом более замедленного увеличения числа оборотов («вялой раскрутки») турбокомпрессора при пуске и увеличении мощности двигателя в эксплуатации, что объясняется малым градиентом давления наддува при пуске и увеличении нагрузки двигателя, определяемым инерцией роторов турбокомпрессоров.

2) меньшая возможность увеличения мощности двигателя путем повышения наддува, чем при механической связи, вследствие того, что давление наддува непосредственно зависит от давления и температуры газов на выпуске.

3) недостаточность при малых нагрузках энергии выпускных газов для приведения в движение турбокомпрессора; величина мощности турбины мала для подачи в цилиндр необходимого количества воздуха, в результате чего затрудняется пуск двигателя и работа его при неполной нагрузке.

Отмеченные недостатки, в особенности первый, при отсутствии регулирования турбокомпрессора являются серьезным препятствием при применении газовой связи в транспортных двигателях, работающих на переменных режимах. Это относится прежде всего к двигателям наземного транспорта, работающим большую часть времени (не менее 70-80%) на неполных нагрузках при наличии частых переходных режимов.

Несмотря на приведенные выше недостатки, комбинированные двигатели с газовой связью турбины и компрессора с поршневой частью получили наиболее широкое распространение в промышленности и на транспорте ( особенно в тех случаях, когда приемистость не является главным качеством).

Без какой-либо существенной модернизации 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.

В случае газотурбинного наддува практически возможны 2 способа использования энергии выпускных газов – при постоянном и переменном давлениях газа. В первом случае газ из цилиндров двигателя поступает в коллекторы достаточно большого объема (ресиверы), в которых давление газа, направляемое затем к турбине, выравнивается. Во втором случае, помимо тепловой энергии, в турбине используется и кинетическая энергия газа (импульсная турбина), обусловленная его большой скоростью. Рабочая при постоянных параметрах газа, турбина постоянного давления имеет более высокий К.П.Д. Однако импульсная турбина срабатывает определенную часть кинетической энергии газа, не используемой в турбине постоянного давления, и потому для сравнительно малых давлений наддува (до 1,8÷1,9 кг/см²), когда в общей энергии выпускных газов доля энергии импульса оказывается значительной, она более рентабельна.

В двухтактных двигателях и в ряде четырехтактных нередко применяется двухступенчатое сжатие воздуха. Такие двигатели, часто называемые двигателями с комбинированной связью турбины и компрессора с поршневой частью или двигателями с комбинированной системой наддува.

В случае первой схемы затраты мощности на привод компрессора (второй ступени сжатия) меньше, в результате чего К.П.Д. двигателя получается несколько выше. Однако при этом ухудшается приемистость двигателя, и последний по эксплуатационным качествам приближается к двигателю с обычным газотурбинным наддувом. При увеличении работы сжатия второй ступени улучшается приемистость двигателя.

Наличие двухступенчатого сжатия обуславливает возможность применения промежуточной охлаждения воздуха и, следовательно, уменьшение мощности, затрачиваемой для получения заданного количества сжатого воздуха. Двигатели с двухступенчатым сжатием, несмотря на усложнение конструкции, получили широкое распространение сначала в авиации, а в настоящее время они устанавливаются на судах и машинах наземного транспорта.

Рассмотрим схему турбопоршневого двигателя с механической связью.

Соотношение между мощностями дизеля и турбины может быть самым разнообразным. Если мощность турбины меньше мощности, потребной для обеспечения наддува, то недостающая мощность отбираемая у дизеля. Если турбина имеет избыточную мощность, то последняя передается на вал, с которого снимается мощность; обычно таким валом является вал дизеля.

Рассмотренная схема двигателя с механической связью характеризуется тем, что давление наддува может быть повышенным, не зависящим от мощности турбины. Имеется возможность более полного использования энергии выпускных газов независимо от давления наддува.

Вследствие наличия механической связи между компрессором и дизелем они синхронно работают на всех режимах, что способствует хорошему газообмену и на переходных режимах, хорошая приемистость и пусковые качества двигателя.

К числу недостатков рассматриваемых двигателей следует отнести большую сложность конструкции и дополнительные потери мощности в механизме передачи. Механическая связь затрудняет достижение рационального соотношения окружной скорости рабочего колеса турбины со скоростью истечения газов, особенно на нерасчетных режимах, вследствие чего К.П.Д. на этих режимах понижается.

Процессы газообмена в двухтактных двигателях.

Процесс очистки цилиндра от продуктов сгорания и наполнения его свежим зарядом воздуха (газообмен), особенно сложен в двухтактных двигателях. Время на процесс газообмена в них в 3-3,5 раза меньше, чем в четырехтактных (120÷150⁰ вместо 400÷500⁰ П.К.В.). Кроме того, удаление продуктов сгорания осуществляется не поршнем, а поступающим из ресивера сжатым (продувочным воздухом).

Качество очистки и наполнения цилиндра всецело зависит от выбора системы газообмена, конструкции элементов газовоздушного тракта, органов газораспределения и величин параметров, определяющих состояние рабочего тела до и после органов газораспределения ( и и )

Из всего многообразия существующих систем схем газообмена следует выделить два основных типа:

1) Петлевые системы – продувочные и выпускные органы (окна) располагаются в нижней части цилиндра, продувочный воздух омывает стенки цилиндра, изменяя при этом направлении движения на 180⁰.

2) Прямоточные системы – органы газораспределения продувные (окна) и выпускные (окна, золотники или клапаны) находятся в противоположных концах цилиндра; продувочный воздух движется вдоль оси цилиндра.

Лекция №8

Петлевые схемы (системы) газообмена.

Направление каналов продувочных и выпускных окон может быть различным: параллельным а), радиальным б), эксцентричным в) и тангенциальным д).

Поперечная петлевая схема газообмена с параллельным расположением окон используется в настоящее время редко. Для этой схемы характерны значительные застойные зоны в верхней части цилиндра и над поршнем, перемешивание свежего воздуха с продуктами сгорания на границе встречных потоков.

Чтобы избежать этого и получить более устойчивый по направлению поток, нужно уменьшить угол наклона β. Однако при этом уменьшается живое сечение окон и для восстановления его приходится увеличивать высоту последних, что приводит к увеличению потери хода поршня.

Этот недостаток в той или иной степени присущ и ряду других вариантов петлевой схемы газообмена.

Исследования показали большие возможности улучшения процесса газообмена за счет более рационального взаимного расположения за счет более рационального взаимного  расположения и направления органов газораспределения (особенно продувочных окон).

Тангенциальное расположение окон д) обеспечивает дополнительную турбулизацию в цилиндре и способствует лучшему смесеобразованию, в то время приводит к более интенсивному перемешиванию в процессе газообмена воздуха с продуктами сгорания.

В последние годы получила распространение система газообмена Листа-Шнюрме.

При такой схеме газообмена уменьшается перемешивание продувочного воздуха с продуктами сгорания, улучшается весь процесс газообмена. Схема эта наибольшее применение получила на транспортных двигателях.

Фирма MAN использует петлевую схему газообмена с односторонним расположением окон (схема б)). Такое расположение окон позволяет размещать их на большей части окружности и получить больше проходные сечение. Эта схема обеспечивает сравнительно хорошее обтекание внутренней поверхности цилиндра и качественную его очистку.

Для рассмотренных систем газообмена характерны симметричные диаграммы фаз газораспределения.

В период φ_n2 – φ_b1  поступление в цилиндр продувочного  воздуха прекращается, через открытые еще выпускные окна продолжается истечение газов, что связано с возможностью значительных потерь свежего заряда воздуха. Для устранения этого недостатка в ряде конструкций главным образом малооборотных мощных дизелей (фирмы MAN, «Зульцер») за выпускными окнами устанавливаются с целью их перекрытия клапаны или золотники.

Более эффективным и надежным оказывается помещение клапанов на впуске, перед продувочными окнами. В этом случае продувочные окна могут быть несколько выше выпускных, что обеспечивает появление фазы дозарядки и улучшения наполнения цилиндра, за счет уменьшения относительной высоты выпускных окон снижается потеря рабочего хода.

В обоих случаях получается несимметричная диаграмма фаз газораспределения.

Прямоточные схемы газообмена.

Находят применение в транспортных двигателях повышенной удельной мощности – автомобильных и тепловодных и быстроходных судовых двигателях, а также в судовых двигателях большой мощности. Различают прямоточные щелевые схемы газообмена.

Прямоточная клапанно-щелевая  схема газообмена была применена на заводе «Русский дизель» в 1906-1907 гг.

Следует отметить более благоприятные условия работы поршня и втулки цилиндра, омываемых продувочных воздухом.

Наличие клапанов позволяет получить несимметричную диаграмму фаз газораспределения с исключением фазы потери заряда и получением фазы дозарядки. Схема газообмена обеспечивает хорошую очистку цилиндра двигателя от продуктов сгорания при сравнительно малом расходе продувочного воздуха.

Следует, однако отметить, что рассматриваемая схема уступает прямоточной щелевой схеме газообмена, потому что несколько хуже качество очистки цилиндра из-за повышенных гидравлических сопротивлений в клапанах и плохой продувки верхней части цилиндра, затруднительно обеспечение надежной работы клапанной группы (высокая температура клапанов, большие нагрузки на клапанные пружины).

Прямоточная щелевая схема.

Прямоточная щелевая схема газообмена применяется в быстроходных транспортных двигателях тепловых и судовых двигателях. Возможны следующие варианты:

1) с двумя противоположно движущимися поршнями в одном цилиндре (П.Д.П.): а) с одним коленвалом; б) с двумя коленвалами;

2) с золотниковым газораспределением;

3) с двумя цилиндрами, имеющими общую камеру сгорания.

При всех вариантах этих схем газообмена есть возможность получить несимметричную диаграмму фаз газораспределения.

Двигатели с противоположно движущимися поршнями (П.О.П.) отличаются наилучшей очисткой цилиндра. Из-за тангенциальной направленности окон заряд получает вращательное движение, сохраняющееся до конца сжатия, что обеспечивает лучшее смесеобразование. Направление выпускных окон не оказывает существенного влияния на качество газообмена. Часто они имеют радиальное направление осей. Получение несимметричной диаграммы фаз газораспределения достигается путем взаимного смещения коленвалов или боковых кривошипов относительно центрального (при одновальный конструкции) на угол Δφ, превышающий180⁰ на 8-20⁰ П.К.В. Один вал связан с поршнем, управляющим продувочными окнами, а другой – с поршнем, управляющим выпускными окнами.

Уменьшение тепловоспринимающей поверхности за счет отсутствия крышек цилиндров обусловливает меньшую относительную величину потерь теплоты в охлаждающую цилиндры воду.

Двигатели с П.Д.П. обычно имеют повышенную удельную мощность. К недостаткам этих двигателей следует отнести сложность конструкции остова. Два коленвала и силовая связь между ними усложняет и удорожает ее.

Золотниковое газораспределение может быть выполнено в различных вариантах. Наибольшее распространение получила схема, при которой роль золотника играет поршень малого диаметра (≤ 0,5 Д), размещенный в крышке цилиндра и совершающий возвратно-поступательное движение. Поршень управляемый выпускными окнами, ход его обычно не превышает 0,4÷0,5 хода основного поршня. От поршня – золотника на коленвал передается до 10% мощности двигателя.

Возможно применение гильзового распределения, или вращающихся золотников.

Как и в двигателе с П.Д.П., есть возможность получить несимметричную диаграмму фаз газораспределения (за счет смещения по времени движения золотника и поршня).

 К преимуществам двигателей с золотниковым распределением следует отнести отсутствие необходимости в двух коленвалах или сложной связи верхнего поршня с коленвалом, а также лучше, чем у поршня, температурное состояние золотников.

В качестве основных преимуществ прямоточных схем газообмена по сравнению с петлевыми следует отметить:

1) относительно хорошую очистку цилиндра двигателя от продуктов сгорания и лучшее наполнение цилиндра при сравнительно малом расходе продувочного воздуха;

2) меньшую долю потери рабочего хода;

3) возможность организации движения заряда воздуха, обеспечивающего лучшее смесеобразование.

Для двигателей с прямоточной схемой газообмена характерны значения P_e от 5,5÷7,0 кг/см² без наддува до 12 кг/см² с наддувом, для двигателей с петлевыми схемами P_e от 4,5÷5,5 без наддува и до 9 (10) кг/см²  с наддувом.

Основными достоинствами двигателей с петлевыми схемами газообмена считают простоту конструкции, меньшую первоначальную стоимость, простоту реверса и обслуживания.

Органы газораспределения.

Продувочные окна могут быть прямоугольными, в виде параллелограммов (ромбовидными), трапециевидными, овальными, круглыми. Наибольшее проходное сечение при меньшей высоте обеспечивается первыми двумя вариантами. Круглые окна являются наиболее технологичными; нередко они располагаются в несколько рядов (до четырех) в шахматном порядке. Угол наклона продувочных окон к оси цилиндра β обычно находятся в пределах 20÷60⁰ (чаще 30⁰) – для петлевых схем газообмена и 10÷90⁰ – для прямоточных схем. Тангенциальный угол α выбирается в пределах 8÷25⁰.

1. Суммарная ширина окон: петлевая b_n=(0,25÷0,4)ПД; прямоточная b_n=(0,6÷0,75)ПД;

2. Высота окон (расстояние от верхней кромки окна до кромки днища поршня при расположении его в Н.М.Т.

Если Вам понравилась эта лекция, то понравится и эта - 51 Перестройка промышленности на военный лад.

Для одного ряда окон h_n=(0,08÷0,15)S, при этом меньшая высота характерна для прямоточных схем газообмена. Для двухрядного расположения окон или при установке клапанов перед продувочными окнами h_n=(0,25÷0,35)S

Выпускные органы двухтактных дизелей выполняются либо в виде окон чаще всего прямоугольной или ромбовидной формы, либо в виде тарельчатых клапанов. Направление каналов выпускных окон , в отличие от продувочных, не оказывает существенного влияния на процесс газообмена. Чаще они имеют радиальную направленность под углом 90⁰ к оси цилиндра.

Суммарная ширина выпускных окон: при петлевой схеме газообмена B_b=(0,2÷0,35) ПД, при прямоточной B_b=(0,5÷0,6) ПД.

Расстояние верхней кромки окон от поверхности днища поршня при расположении его в нижней мертвой точке.

h_b=(0,15÷0,35)S

Меньшие значения – для прямоточно-щелевой схемы.