Судовые двигатели внутреннего сгорания. Лекция 14

1.

Судовые двигатели
внутреннего сгорания
Лектор: Доцент кафедры ДВС И АСЭУ,
к.т.н., ЖИВЛЮК Григорий Евгеньевич
Конт. Тел. 9190946

2.

Лекция 14
Способы форсирования двигателя
Виды наддува
Использование энергии отработавших газов
Импульсные системы наддува
Изобарные системы наддува
Особенности эксплуатации систем наддува
Перспективы повышения эффективности
использования энергии отработавших газов

3.

Способы
форсирования
двигателей

4.

Способы форсирования
двигателей
Постоянный рост требований эксплуатации в
совершенствовании технико-экономических
показателей энергетических установок
побуждают производителей к созданию
высокофорсирован-ных современных
двигателей, обладающих высо-кими удельными
мощностными и экономически-ми
характеристиками. Основные пути достижения
соответствия современным требованиям в
мощностных показателях можно проследить
исходя из формулы эффективной мощности

5.

Способы форсирования
двигателей
Принципиально, при конструировании двигателя
возможно варьирование всеми перечисленными
параметрами.
1. Увеличение мощности двигателя за счет роста
рабочего объема цилиндра неизбежно приводит к
огромным технологическим сложностям изготовления,
монтажа и эксплуатации энергетических установок с
такими двигателями, обладающими чрезмерными
габаритами и массами. На сегодняшний день можно
считать, что достигнут предел по этим параметрам для
1050 – 1060 мм (MAN, Зульцер) и от таких двигателей
постепенно отказываются. При этом никак не решаются
проблемы удельных мощностных показателей, 40 – 55 кг/
кВт.

6.

Способы форсирования
двигателей
2. Аналогично обстоят дела с ростом числа цилиндров
двигателя. На сегодняшний день число цилиндров в одном
агрегате достигает 56. Однако такой рост , хоть и увеличивает
мощность агрегата, но и приводит к росту его массо-габаритных
характеристик.
3. Изменение коэффициента тактности приводит к
использованию конструкций двухтактного двигателя.
4. Рост частоты вращения коленчатого вала несомненно,
является весьма действенным способом форсирования
двигателя Современные конструкции реализуют до 6000 об/мин
(а, в отдельных случаях и более), а вплотную приблизилось к 1
кг/кВт. Но такие двигатели имеют крайне ограниченный ресурс
работы и использование их в качестве ГД оказывается почти
невозможным ввиду сложностей в согласовании их
характеристик с характеристиками движителя.

7.

Способы форсирования
двигателей
Все перечисленные способы форсирования двигателей в
той или иной мере связаны с расходом воздуха, который
проходит через двигатель и участвует в сгорании
топлива. Совершенно очевидно, что для повышения
мощности требуется увеличение работы, производимой
двигателем в единицу времени, а для увеличения
производства работы требуется большее количество
теплоты, которое выделяется в результате сгорания
топлива. Но для осуществления реакций окислениясгорания требуется определенное количество воздуха. В
свою очередь, это и требует увеличение расхода
воздуха через двигатель для его форсирования, которое
достигается уже упомянутыми мероприятиями.

8.

Способы форсирования
двигателей
Если выразить массу воздуха, заполняющего цилиндр через
плотность воздуха в продувочном ресивере/впускном
коллекторе
,
то можно констатировать, что увеличение плотности
приведет к росту . При этом из уравнения Клапейрона
следует, что
Таким образом, видно, что повышение массы воздуха,
заполнившего цилиндр можно достичь благодаря
повышению давления воздуха и понижению его
температуры . Такое техническое решение называется
наддувом двигателя, и этот метод является на
сегодняшний день наиболее эффективным способом
повышения уровня форсировки двигателя.

9.

Способы форсирования
двигателей
Степень увеличения мощности двигателя благодаря
наддуву оценивают коэффициентом, который
называют степень наддува
здесь и мощности в безнаддувной и наддувной
модификации двигателя соответственно. А поскольку
мощность где - постоянная двигателя, то при прочих
равных условиях:
В формуле - среднее эффективное давление
двигателя с наддувом, а – среднее эффективное
давление модификации того же двигателя без
наддува.

10.

Способы форсирования
двигателей
Поэтому рассматриваемый способ повышения мощности
еще называют форсированием по среднему
эффективному давлению.
Так, если среднее эффективное давление
четырехтактного двигателя без наддува составляет 5,2
– 6,5 бар, а для двухтактных двигателей эти значение 4,5 – 5,5 бар то в современных четырехтактных
двигателях со высоким наддувом достигает 5, а в
двухтактных – 3,5 – 3,8.
Основные категории дизелей с наддувом считаются:
I. Умеренная – 7 – 12 бар,
II. Повышенная – 13 -20 бар,
III. Высокая – 21 – 40 бар.

11.

Виды наддува
двигателей

12.

Виды наддува двигателей
Наддув двигателя бывает механический,
газотурбинный, комбинированный и инерционный .
Наддув двигателя может осуществляться в
специальных агрегатах наддува – компрессорах, а
может использоваться скоростной напор воздуха,
поступающего в двигатель. Последний способ
наддува называют инерционный наддув.
Использование этого способа значительно усложняет
конструкцию впускного тракта двигателя, область
его использования ограничивается маломощными
двигателями и позволяет достичь в пределах 1,4.

13.

Виды наддува двигателей
При использовании отдельного агрегата наддува
рассматривается механический и свободный
газотурбинный наддув или комбинация этих
способов и тогда наддув называют
комбинированным.
Механический наддув предусматривает передачу
мощности к агрегату наддува от двигателя посредством механической передачи (шестеренная,
цепная, ременная и т.д.). Использование механического наддува оказывает двоякое влияние на механический к.п.д. двигателя. Двухфакторное
влияние носит антагонистический характер.

14.

Виды наддува двигателей
С одной стороны, увеличение мощности двигателя
по мере роста степени наддува при сохранении
механических потерь ведет к увеличению . С
другой – увеличение мощности, затрачиваемой на
привод агрегатов наддува увеличивает составляющую механических потерь - и вызывает падение
механического к.п.д. С увеличением степени наддува до превалирующее влияние второго фактора
начинает сказываться на снижении эф-фективного
к.п.д. и росте удельного эффек-тивного расхода
топлива . Поэтому использова-ние механического
наддува ограничивается .

15.

Виды наддува двигателей
Газотурбинный наддув
представлен агрегатом или
агрегатами, в которых
лопаточные центробежные
турбина 3 и компрессор 1
устанавливается на общем
валу и такой агрегат
называют турбокомпрессор.
Турбина генерирует мощность
за счет срабатывания энергии
отработавших газов
двигателя 2, передавая ее на
компрессор для сжатия
воздуха и являясь по сути
агрегатом утилизации.

16.

Виды наддува двигателей
Используя энергию отработавших газов двигателя
(которая теряется в атмосферных двигателях) для
создания давления наддува, система ГТН повышает
мощность при малосущественном изменении мощности
механических потерь. Следовательно, происходит
повышение механического к.п.д. двигателя с наддувом
и соответствующее сокращение удельного
эффективного расхода топлива. По этой причине
введение свободного газотурбинного наддува всегда
приводит к росту топливной экономичности двигателя
В системе газотурбинного наддува между двигателем и
агрегатом наддува существует только газовая связь, а
механическая отсутствует.

17.

Виды наддува двигателей
Комбинированный наддув предполагает
одновременное использование механического и
газотурбинного наддува. В этих схемах
используются как механические так и газовые
связи между агрегатами. При комбинированном
наддуве сжатие производится и в компрессоре
турбокомпрессора, и в приводном нагнетателе
(в двухтактных двигателях часто используют
подпоршневые полости). В зависимости от
способа подключения агрегатов наддува,
комбинированные системы могут быть
последовательными (I) и параллельными (II).

18.

Виды наддува двигателей
В последовательной схеме
(например, I) сжатие
воздуха производится
сначала в компрессоре (К)
турбокомпрессора, далее
воздух охлаждается в
охладителе надувочного
воздуха (Х), а затем
дополнительно сжимается
в приводном нагнетателе
(Н) и после этого сжатый
воздух поступает в
двигатель.

19.

Виды наддува двигателей
В параллельной схеме
(например, II) сжатие
воздуха происходит
параллельно и в
компрессоре (К)
турбокомпрессора, и в
приводном
нагнетателе (Н).
Сжатый воздух для
повышения плотности
охлаждается в
холодильнике (Х).

20.

Использование
энергии
отработавших газов

21.

Использование энергии
отработавших газов
Из термодинамического анализа циклов
следует, что повышение эффективности цикла
может быть достигнуто благодаря более
полному расширению газа. В поршневой части
двигателя техническая реализация этого
процесса оказывается весьма затруднительной
(в частности, требуется значительное
увеличение хода поршня). Произвести более
полное расширение газа и использовать
энергию газа, покидающего цилиндр, возможно
при использовании лопаточной машины –
турбины. Рассмотрим диаграмму газообмена
работы двигателя.

22.

Использование энергии
отработавших газов
Полная располагаемая
энергия расширения
отработавших газов ,
которая потенциально
может быть использована для срабатывания (утилизации) в
турбине турбокомпрессора, может быть
представлена суммой

23.

Использование энергии
отработавших газов
Первое слагаемое это энергия расширения газа от давления
в цилиндре
(давления ) до
давления газа в
выпускном
коллекторе .
Второе слагаемое - расширение газа от до
давления в выпуск-ном
тракте за турбиной .

24.

Использование энергии
отработавших газов
Тепловая изоляция выпускного тракта до
тур-бины позволяет
избежать диссипацию
энергии и способна
помимо со-хранения
высокой тем-пературы
газов увели-чить
объем газов, подаваемых на турбину
тур-бокомпрессора на
ве-личину (расстояние
между точками ‘).

25.

Использование энергии
отработавших газов
Энергия носит переменный характер и определяется
энергией газов на этапе свободного выпуска газообмена.
Энергия это постоянная составляющая полной
располагаемой энергии отработавших газов.
Возможность использования переменной составля-ющей
разделяет системы газотурбинного наддува на:
импульсные, в которых используется максимально
полно, а давление перед турбиной благодаря
минимизации объемов выпускного тракта и
изобарные системы, в которых выпуск отработавших
газов производится в коллектора большого объема,
значительная часть энергии расходуется на перетекание,
дросселирование и вихреобразование потока газа, а
давление .

26.

Импульсные
системы наддува

27.

Импульсные системы
наддува
При импульсном наддуве стремятся
максимально использовать переменную
составляющую полной располагаемой энергии
газов . Для этого.
По возможности увеличивают время
предварения выпускных органов
газораспределения, тем самым отбирая газ из
цилиндра при более высоких температурах и
давлениях.
Минимизируют объем и длину выпускного
тракта от цилиндра до турбины: газ подводят
к турбине по коротким патрубкам малого
сечения, а турбину максимально приближают
к цилиндру.

28.

Импульсные системы
наддува
Во избежание
негативного влияния
импульсов в
коллекторах на
процесс продувки и
наполнения соседних
цилиндров, систему
подразделяют на
несколько раздельных
трубопроводов,
подводящих газ к
одной или нескольким
турбинам.

29.

Импульсные системы
наддува
К каждой турбине двигателя подключается не
более трех цилиндров, при этом группа цилиндров
подбирается таким образом, чтобы в соответствии с
порядком работы цилиндров, максимально разнести
во времени процесс выпуска, что позволяет
обеспечить наиболее высокий К.П.Д. турбины.
Такие технические решения позволяют использовать
до 35 - 45% энергии импульса для двухтактных МОД.
Для четырехтактных двигателей установка
нескольких турбо-компрессоров не всегда технически
и экономически обоснована, мера использования в
конструкции четырехтактных СОД сокращается до 20
– 30%.

30.

Импульсные системы
наддува
Таким образом, импульсные системы наддува по
сравнению с изобарным наддувом:
Позволяют более полно использовать
располагаемую энергию отработавших газов,
облегчая задачу сбалансированности
мощностей турбины и компрессора;
Обеспечивают лучшее воздухоснабжение
двигателя на пуске и режимах малой мощности
или частоты вращения, а при прямоточном
газообмене способны исключить
необходимость использования механического
наддува;

31.

Импульсные системы
наддува
Обладают возможностью быстрого
реагирования на изменение режима работы
двигателя, повышая его «приемистость»;
Создают условия для более качественной
продувки цилиндров благодаря более низкому
противодавлению на выпуске.
При этом обладают недостатками, к которым
следует отнести:

32.

Импульсные системы
наддува
Конструктивную сложность выпускного тракта,
необходимость установки нескольких турбин,
максимально приближенных к подсоединенным
цилиндрам (для больших двигателей) поскольку
увеличение длины газовыпускных трактов сводит
к минимуму преимущества системы.

33.

Импульсные системы
наддува
Уменьшение эффективности работы (снижение К.П.Д.) турбины, связанное с постоянно
изменяющимися давлениями и скоростями
потока на входе в направляющий аппарат
турбины.

34.

Импульсные системы
наддува
Для оценки меры использования импульсной составляющей располагаемой энергии газов
вводят коэффициент использования энергии
импульса:
где - доля используемой энергии импульса , как
отмечалось выше:
- для двухтактных МОД
- для четырехтактных СОД

35.

Импульсные системы
наддува
С ростом давления наддува импульсная составляющая в полной располагаемой энергии отработавших газов неуклонно
падает. Как показывает
опыт, при энергия
импульса наиболее эффективно используется
до , поэтому область
использования импульсной
системы наддува
ограничивается до = 2,0
бар.

36.

Изобарные системы
наддува

37.

Изобарные системы наддува
Большинство современных двигателей
используют высокие давления наддува, при
которых доля импульсной составляющей
энергии в полной располагаемой энергии
отработавших газов оказывается относительно
мала. При давлениях наддува , превышающих
бара, производители двигателей используют
системы с постоянным давлением перед
турбиной, которые называют изобарными.

38.

Изобарные системы наддува
Было бы совершенно не верно представлять, что
импульсная составляющая совершенно не
используется в этих системах. Поскольку часть
расходуется на перетекание, дросселирование и
турбулизацию, а часть в результате торможения
потока переходит из кинетической энергии струи
в потенциальную энергию системы, обеспечивая
прибавку к энергии , обусловленной пере-падом
давлений между и . В результате распо-лагаемая
энергия перед турбиной
.

39.

Изобарные системы наддува
В изобарных системах
наддува выпуск
отработавших газов
производят в общий
коллектор
относительно
большого объема,
достаточного для
сглаживания
импульсов давления
газов при выпуске из
отдельных цилиндров.

40.

Изобарные системы наддува
Давление в выпускном коллекторе при изобарном
наддуве имеет минимальные пульсации и
определяется расходом газа через цилиндры
двигателя и аэродинамическим сопротивлением
проточных частей турбины.
Использование изобарных систем наддува
существенно упрощает конструкцию коллектора
и обеспечивает высокие значения КПД
турбокомпрессора, до 66 – 72 %, что позволяет
полностью оказаться от механических
нагнетателей в современных конструкциях
двухтактных двигателей.

41.

Энергетический и
массовый баланс
турбокомпрессора

42.

Энергетический и массовый
баланс турбокомпрессора
Для работы двигателя необходимо обеспечить
требуемый массовый расход воздуха через
цилиндры . Подачу воздуха (требуемых
параметров) в двигатель осуществляет
компрессор. Очевидно, что должно быть
обеспечено равенство массы воздуха,
подающегося компрессором и массы воздуха,
необходимого для работы двигателя:
Иначе говоря, должен быть обеспечен
массовый баланс.

43.

Энергетический и массовый
баланс турбокомпрессора
Для обеспечения работы компрессора
необходима затрата мощности на его привод .
В случае использования турбокомпрессора эта
мощность генерируется турбиной
турбокомпрессора, которая выдает мощность .
Устойчивая работа компрессора и подача
необходимого количества воздуха требуемых
параметров возможна, если:
или при соблюдении энергетического баланса.

44.

Энергетический и массовый
баланс турбокомпрессора
Практически для
изобарного наддува
энергетический баланс
достигается при
давлении наддува
более 2 бар. При более
низких давлениях
достижение баланса
возможно только при
использовании
импульсного подвода
газа к турбине.

45.

Энергетический и массовый
баланс турбокомпрессора
Система импульсного газотурбинного
наддува (ИГТН) способна за счет
использования энергии импульса более
полно использовать располагаемую энергию
отработавших газов на относительную
величину коэффициента импульсности:
Тогда баланс мощностей для импульсного
наддува определится как:
или .

46.

Энергетический и массовый
баланс турбокомпрессора
При отсутствии энергетического баланса, массо-вый
баланс может достигаться как за счет использования дополнительных нагнетателей воздуха так и
за счет сокращения расхода воздуха через двигатель
Последнее обеспечивается либо путем совершенствования газообмена (увеличение ), либо сокращением коэффициента продувки . Однако
сокращение количества воздуха для продувки
(уменьшение ) влечет за собой не только ухуд-шение
очистки цилиндров от продуктов сгорания, но и
увеличение теплонапряженности конструкции.

47.

Энергетический и массовый
баланс турбокомпрессора
Проблема обеспечения энергетического баланса в
четырехтактных двигателях практически
отсутствует в связи с:
• низкими значениями коэффициента продувки;
• наличием насосных ходов поршня;
• высокими значениями коэффициента наполнения;
• высокими температурами отработавших газов.
Поэтому на четырехтактных двигателях системы
газотурбинного наддува начали устанавливать
гораздо раньше, а достигнутые давления наддува
существенно выше, чем на двухтактных двигателях.

48.

Энергетический и массовый
баланс турбокомпрессора
Для качественной оценки возможности
достижения энергетического баланса нужно, в
первую очередь, определить необходимый
расход воздуха через двигатель:
кг/с,
где - удельный эффективный расход топлива,
кг/кВтч; - эффективная мощность двигателя,
кВт; – стехиометрическое соотношение; –
коэффициент избытка воздуха при сгорании; коэффициент продувки, который, в прямоточноклапанной продувки, составляет 1,55 – 1,85.

49.

Энергетический и массовый
баланс турбокомпрессора
Также необходимо определить работу
адиабатного сжатия воздуха до давления
в продувочном ресивере:
, кДж,
где - изобарная теплоемкость воздуха
1,006 кДж/кгК; - температура воздуха на
входе в компрессор, К; - степень
повышения давления в компрессоре ; –
коэффициент адиабаты для воздуха.

50.

Энергетический и массовый
баланс турбокомпрессора
Тогда необходимая мощность, затрачиваемая
на привод компрессора определиться как:
,
где - адиабатный КПД компрессора, равный
0,75 – 0,85.
В свою очередь, мощность, генерируемая
турбиной определяется выражением:
,
где КПД турбины составляет 0,8 – 0,85 для
изобарных систем наддува и 0,65 – 0,75 для
импульсных.

51.

Энергетический и массовый
баланс турбокомпрессора
Расход газа через турбину составляет с
учетом поданного топлива как:
Адиабатная работа расширения газа в
турбине при постоянстве давления на
входе:
где - средняя изобарная теплоемкость
отработавших газов, = 1,12 кДж/кгК;

52.

Энергетический и массовый
баланс турбокомпрессора
- давление за турбиной, = 1,05 – 1,09 при
наличии утилизационного котла на выпуске; =
давление перед турбиной; - показатель
адиабаты для отработавших газов, в
зависимости от состава газов – 1,31 – 1,35, а
средняя температура газов перед турбиной
определяется из:
здесь низшая теплотворная способность
топлива (42700 кДж/кг); - относительная потеря
тепла с газами, принимаемая равной 0,4 – 0,45.

53.

Энергетический и массовый
баланс турбокомпрессора
Возможность обеспечения массового баланса
достигается в тех случаях, если расчетная
мощность турбины оказывается не менее, чем
необходимая мощность, затрачиваемая на
привод компрессора .
В случае , избыточная энергия отработавших
газов может быть использована в
дополнительных агрегатах утилизации (паровом
котле, силовой турбине, паросиловой установке
и др.) или просто отведена на выпуск путем
байпасирования магистрали выпуска, минуя
турбину.

54.

Энергетический и массовый
баланс турбокомпрессора
Если , энергетический баланс,
обеспечивающий массовый баланс не
достигается, и компрессор будет выдавать
расход воздуха в соответствии с
располагаемой мощностью
При этом подача компрессора (расход
воздуха через компрессор) оказывается
недостаточной для осуществления
внутрицилиндровых процессов с требуемым
количеством воздуха .

55.

Энергетический и массовый
баланс турбокомпрессора
Для обеспечения требуемой подачи воздуха
необходима реализация определенных технических
мероприятий, которые могут состоять в следующем.
• Увеличение располагаемой энергии газов за счет
более раннего открытия выпускных органов
газораспределения (в основном, увеличение
температуры).
• Подбор турбокомпрессора, обладающего более
высоким КПД.
• Использование дополнительного источника
сжатого воздуха (механического нагнетателя) с
применением комбинированного наддува).

56.

Энергетический и массовый
баланс турбокомпрессора
• Использование энергии импульса газов и
применение импульсного наддува.
• Подбор/изменение параметров газообмена.
В четырехтактном двигателе эта проблема
решится крайне просто в связи с наличием
насосных ходов поршня в цикле работы
двигателя. А именно, ход поршня к НМТ от ВМТ
такта наполнения принудительно понизит
давление воздуха на входе в цилиндр и тем
самым обеспечит сокращение мощности,
потребляемой компрессором, выравнивая баланс.

57.

Энергетический и массовый
баланс турбокомпрессора
Параллельно с этим, в четырехтактном двигателе
может быть повышено давление в выпускном коллекторе за счет движения поршня от НМТ к ВМТ в
ходе принудительного выпуска (поршневая часть
комбинированного двигателя будет «подкручивать»
турбину турбокомпрессора) также восстанавли-вая
энергетический баланс турбокомпрессора.
Такие режимы работы неизбежно приведут к
ухудшению топливной экономичности, однако не
вызовут нарушений в работе четырехтактного
двигателя, в отличие от двухтактной конструкции, в
которой по причине нарушения энергетического
баланса прекратится продувка цилиндра.

58.

Организация
систем наддува в
четырехтактном
двигателе

59.

Организация систем наддува в
четырехтактном двигателе
Меньшие удельные расходы воздуха в
четырехтактном двигателе, более высокие
температуры отработавших газов и наличие
насосных ходов значительно облегчают по
сравнению с двухтактными двигателями
задачу достижения энергетического баланса
турбокомпрессора.
Эти факторы предопределили более раннее
распространение систем ГТН на
четырехтактных двигателях и более высокие
реализованные уровни наддува.

60.

Организация систем наддува в
четырехтактном двигателе
Как было выяснено ранее, с ростом степени
наддува происходит сокращение импульсной
составляющей в располагаемой энергии
отработавших газов. Поэтому в конструкциях
современных высокофорсированных главных
СОД превалируют изобарные системы
наддува, что существенно упрощает
конструктивные решения по организации
подвода отработавших газов к турбине,
которое сводится к использованию
выпускного коллектора большого объема.

61.

Организация систем наддува в
четырехтактном двигателе
Кроме того, в изобарной системе
газотурбинного наддува
четырехтактного двигателя возможно
достижение высокого КПД
турбокомпрессора.

62.

Организация систем наддува в
четырехтактном двигателе
Тем не менее, для тех двигателей, которые
должны обеспечивать высокую
«приемистость», т.е. проявлять высокую
динамику переходных процессов при
резком набросе нагрузки (например, дизельгенераторы), широко распро-странены
импульсные системы наддува, способные за
счет использования энергии импульсов
давления перед турбиной обеспечивать
быстрый рост давления наддува (быстрый
разгон ротора ТК).

63.

Организация систем наддува в
четырехтактном двигателе
В импульсной системе наддува группы
цилиндров объединены общим
коллектором, подающим газ к турбинам

64.

Организация систем наддува в
четырехтактном двигателе
Так, в шестицилиндровом двигателе, в одну из
ветвей коллектора объединяют 1, 2 и 3 цилиндры, а
во вторую – 4, 5 и 6. Эти группы цилиндров, в
соответствии с поряд-ком их работы 1-5-3-6-2-4
обеспечат наибольший сдвиг во времени между
импульсами давления – 240 пкв.

65.

Организация систем наддува в
четырехтактном двигателе
Известно, что главным недостатком импульсных
системы наддува является невозможность
достижения высоких значений КПД
турбокомпрессора. Поэтому прибегают к
использованию преобразователей импульса.
1-патрубки цилиндров; 2-сопла; 3-смесительная камера; 4диффузор; 5-ресивер постоянного давления.

66.

Организация систем наддува в
четырехтактном двигателе
Преобразователи импульса позволяют
эффективно преобразовать энергию импульса
перед турбиной в давление за счет торможения
потока газа в диффузоре непосредственно
перед турбиной.

67.

Организация систем наддува в
четырехтактном двигателе
Благодаря циклическому поступлению газов от
цилиндров двигателя, в камере смешения
образуется относительно равномерный поток с
большим запасом кинетической энергии. В
диффузоре происходит замедление скорости потока
и кинетическая энергия потока переходит в
потенциальную энергию – повышая давление газа
перед турбиной.
Такое преобразование выравнивает давление перед
турбиной, что позволяет достаточно полно
использовать энергию импульса при обеспечении
высоких КПД турбокомпрессора, который работает
практически при .

68.

Организация систем наддува в
четырехтактном двигателе
Скорость потока газа, истекающего из
цилиндра, создает инжектирующий эффект
для выпускных каналов соседних цилиндров,
улучшая их очистку от продуктов сгорания.
Использование импульсного наддува с
преобразователями импульса способно
обеспечить баланс мощностей турбины и
компрессора на режимах малой нагрузки
двигателя в диапазоне от 20% от номинала и
более.

69.

Организация
систем наддува в
двухтактном
двигателе

70.

Организация систем наддува в
двухтактном двигателе
• Отсутствие насосных ходов для обеспечения
качественной очистки цилиндров от
отработавших газов,
• пониженная суммарная температура
отработавших газов за счет подмеса
продувочного воздуха и
• необходимость большого расхода воздуха для
продувки цилиндров
превращает задачу сведения энергетического
баланса турбокомпрессора в двухтактном
двигателе в достаточно сложную научнотехническую задачу.

71.

Организация систем наддува в
двухтактном двигателе
Для двигателей ранних моделей с контурными
системами продувки с задача обеспечения
массового баланса не могла быть решена только
за счет использования свободного
газотурбинного наддува, а требовала
задействования дополнительного механического
нагнетателя или использования подпоршневых
полостей. В результате двигатель был мало
эффективен, конструкция двигателя оказывалась
неоправданно сложной и дорогостоящей. Это и
послужило причиной отказа от схем контурной
продувки в пользу прямоточно-клапанной.

72.

Организация систем наддува в
двухтактном двигателе
Наличие выпускного клапана дает некоторый маневр
разработчику по энергообеспечению турбины за счет
варьирования временем его открытия. В результате,
благодаря
• совершенствованию систем газообмена.
• уменьшению суммарного расхода воздуха через
двигатель,
• совершенствованию конструкции турбокомпрессоров и
• переходу на изобарные системы наддува с достижением
КПД ТК до70%
в конструкции двухтактного двигателя была реализована
концепция свободного газотурбинного наддува.

73.

Организация систем наддува в
двухтактном двигателе
Массовый баланс
обеспечивается только
на режимах выше 40%
мощности (редко от
20%). Воздухоснабжение
двигателя на режимах
малых нагрузок, пуска и
реверсирования обеспечивается благодаря
использовнию электроприводной
воздуходувки.

74.

Особенности
эксплуатации
систем наддува

75.

Особенности эксплуатации
систем наддува
В атмосферном двигателе на отклонения в
процессах газообмена влияет только изменение
состояния проточных частей коллекторов (ресиверов), каналов, и органов газораспределения,
которые подвержены облитерации маслом,
попадающим из системы вентиляции картера, и
продуктами неполного сгорания топлива.
В отличие от атмосферного, в двигателе с газотурбинным наддувом добавляется еще ряд факторов влияния таких как, состояние охладителя наддувочного воздуха, невозвратных клапанов, проточных частей и лопаток турбины и компрессора.

76.

Особенности эксплуатации
систем наддува
Упомянутые эксплуатационные факторы оказы-вают
влияние на воздухоснабжение цилиндров двигателя,
протекание внутрицилиндровых про-цессов и
теплонапряженность деталей двигателя. Понимание
закономерностей влияния эксплуата-ционных
факторов на работу установки позволяет произвести
точную идентификацию и локализацию причин
сбоев, возникающих в её работе.
Рассмотрение взаимосвязей работы двигателя и
системы наддува и причин, вызывающих наруше-ние
рабочего состояния произведем на основе
сопоставления характеристик компрессора и
двигателя.

77.

Особенности эксплуатации
систем наддува
Гидравлическая
характеристика
двигателя
представляется
зависимостью давления
на входе в цилиндр
(перед впускными
органами
газораспределения) или
относительного
давления от массового
расхода воздуха через
двигатель .

78.

Особенности эксплуатации
систем наддува
Характеристика
компрессора
Это семейство точек рабочих
режимов компрессора в которых обеспечивается массовый
баланс Для свободного
газотурбинного наддува
харак-теристика, построенная
в коор-динатах степень
повышения дав-ления в
компрессоре - массовая
подача воздуха ком-прессором
для различных значений
частоты вращения ро-тора
турбокомпрессора сов-падает
с кривой 1 – гидравли-ческой
характеристикой дви-гателя.

79.

Особенности эксплуатации
систем наддува
На график дополнительно
нанесены кривые равных
адиабатных КПД компрессора и граница зоны
помпажа компрессора,
которая разделяет поле
графика на зону
устойчивых режимов
работы - справа от кривой 2
и на зону неустой-чивой
работы (слева от кри-вой
2), когда компрессор
входит в помпаж и работа в
которой не допустима.

80.

Особенности эксплуатации
систем наддува
Необходимо отметить, что в
случае использования в
системе наддува
нескольких
турбокомпрессоров, то
Так для двух компрессоров,
у которых ,
линия рабочих режимов
будет общей и расположение ее на графике будет
делить отрезки,
соответству-ющие на
равные части.

81.

Особенности эксплуатации
систем наддува
Облитерация каналов проточной части компрессора происходит за счет масляных отложений и
приводит к уменьшению проходных сечений и
искажению формы каналов. Это вызывает
снижение КПД компрессора, уменьшение
подачи воздуха на двигатель и падение
давления наддува. Сокращение обусловливает
уменьшение количества газов, поступающих на
турбину, падение ее мощности, что, в свою
очередь, влечет некоторое снижение частоты
вращения ротора турбокомпрессора.

82.

Особенности эксплуатации
систем наддува
В результате, совмещенная характеристика
перемещается в зону
меньших расходов
(кривая 3), где ,
давление , а частота
враще-ния ротора
турбокомпрес-сора . При
этом КПД
турбокомпрессора
уменьшится и , а точка
режима окажется в
точке на кривой 3.

83.

Особенности эксплуатации
систем наддува
Загрязнение проточной части турбины
происходит в результате накопления отложений
на поверхностях проточных частей и рабочих
лопаток продуктов неполного сгорания топлива
и полимеризации масла. Такие нарушения в
нормальной работе приводят к уменьшению
пропускной способности турбины и, как
следствие, к росту давления и температуры
отработавших газов перед турбиной ( и ).
Искажения проточных частей вызовет падение
КПД турбины и некоторое снижение частоты
вращения ротора, что повлечет за собой
сокращение расхода воздуха через двигатель.

84.

Особенности эксплуатации
систем наддува
Таким образом, гидравлическая характеристика и характеристика
подачи ТК сместится
влево (кривая 3), на
которой будет находится
точка нового режима .
Давление наддува в
этом случае возрастает
ввиду увеличения сопротивления нагнетания
компрессора.

85.

Особенности эксплуатации
систем наддува
Накопление отложений на органах газораспределения (окнах и клапанах) в виде кокса уменьшают их проходные сечения, что сказывается на
гидравлической характеристике двигателя.
Сокращение расхода воздуха двигателем
приведет к увеличению температуры газов
перед турбиной и, возможно, к некоторому
сокращению частоты вращения ротора
турбокомпрессора. Давление воздуха перед
двигателем при этом останется практически
неизменным, на прежнем уровне, поскольку
возрастает сопротивление на нагнетании.

86.

Особенности эксплуатации
систем наддува
Как очевидно, точка
режима переместится в
точку на новой характеристике расхода 3.
Необходимо отметить,
что загрязнение органов
газораспределения
двигателя способно
максимально приблизить характеристику
компрессора к зоне
помпажа (кривая 2).

87.

Особенности эксплуатации
систем наддува
Образование отложений на поверхностях
охладителя наддувочного воздуха в виде масляных
загрязнений со стороны воздуха и соляных со
стороны охлаждающей жидкости приводит к
снижению коэффициента теплопередачи и
увеличению температуры воздуха в продувочном
ресивере, что, в свою очередь, влечет сокращение
массы воздуха, поступающего в цилиндр.
Загрязнение воздушного фильтра мало отражается
на характеристиках компрессора, однако нужно
иметь в виду, что увеличение скорости протекания
воздуха через ячейки фильтра ухудшает
фильтруемость воздуха.

88.

Перспективы повышения
эффективности
использования энергии
отработавших газов

89.

Перспективы повышения эффективности
использования энергии отработавших газов
Неуклонный рост КПД современных турбокомпрессоров привел к тому, что все современные
двигатели со свободным газотурбинным
наддувом на режимах близких к номинальному
обладают избытком располагаемой энергии
отработавших газов перед турбиной.
В тоже время на режимах малой мощности происходит резкое падение КПД турбокомпрессора и
обнаруживается недостаток потребной энергии
для обеспечения энергетического баланса.
Современные технические решения позволяют в
той или иной мере решить эти проблемы.

90.

Перспективы повышения эффективности
использования энергии отработавших
газов
Избыточная энергия
от-работавших газов
на режимах, близких к
но-минальным, на
первых этапах
конструирования
традиционно отводилась с потоком газа
через управляемый
клапан 1 в байпасный
ход системы газовыпуска.

91.

Перспективы повышения эффективности
использования энергии отработавших
газов
В больших энергетических
установках невостребованная в ТК энергия отработавших газов передается для дальнейшей утилизации в силовой газовой
турбине 2 или в паротурбинной установке, работающих на электрогенератор 3 или передающей
энергию на выходной вал
двигателя через редуктор.

92.

Перспективы повышения эффективности
использования энергии отработавших
газов
Частичное решение проблем обеспечения
наддува на режимах малой мощности
возможно за счет использования регулируемого соплового аппарата турбины. В таких
турбинах лопаточный направляющий
аппарат имеет лопатки, которые могут
поворачиваться на оси, тем самым
обеспечивая высокую эф-фективность
работы турбины во всем диапа-зоне её
режимов. Поворот лопаток осущест-вляет
электропривод, работающий по определенной программе.

93.

Перспективы повышения эффективности
использования энергии отработавших
газов
Наиболее перспективной в рассматриваемых
аспектах представляется концепция турбоэлектрокомпрессора. Этот агрегат
объединяет в своей конструкции
турбокомпрессор и об-ратимую
электрическую машину. Благодаря такому
решению, при избыточной мощности
турбины электромашина работает в режиме
генератора, загружая турбину и отдавая
электроэнергию в сеть. На режимах малых
мощностей - в режиме двигателя,
приводящего компрессор, обеспечивая
воздухоснабжение двигателя.

94.

Перспективы повышения эффективности
использования энергии отработавших
газов

95.

Благодарю
за
внимание