Как турбина увеличивает мощность двигателя?

Способы повышения мощности дизелей. Турбонаддув

Из формулы для определения эффективной мощности дизеля:

можно определить способы повышения мощности. Таковыми являются:

1. Увеличение диаметра цилиндра D , целесообразно до определенного предела. С увеличением диаметра цилиндра увеличиваются инерционные силы, действующие на подвижные части дизеля, возрастают массогабаритные показатели двигателя. В настоящее время диаметр цилиндров наиболее мощных МОД достигает 105…106 см;

2. Увеличение хода поршня S (расширение области применения длинноходовых дизелей). Ход поршня дизельного двигателя тесно связан с диаметром цилиндра соотношением S D . Для различных классов дизелей существуют рекомендованные значения соотношения S D . Поэтому этот способ увеличения мощности непосредственно связан с предыдущим.

3. Увеличение числа цилиндров i – для этого способа увеличения мощности дизеля так же существует разумный предел. Увеличение числа цилиндров двигателя значительно усложняет его конструкцию, снижает показатели надежности. В современных дизелях число цилиндров достигает: в МОД –до 12, в СОД – до 18, в ВОД – до 50;

4. Расширение области применения двухтактных дизелей ( z =1), имеющих большие возможности по дальнейшему снижению удельных массогабаритных показателей, чем четырехтактные дизели;

5. Увеличение числа оборотов n (форсирование дизеля) – приводит к значительному снижению ресурсных показателей двигателя, особенно у ВОД (высокооборотный двигатель);

6. Повышение среднего эффективного давления p_e за счет увеличения плотности воздуха, вводимого в цилиндр.

Последний способ является наиболее эффективным и получил наименование «наддува дизеля». Использование наддува дает возможность в несколько раз (4 ÷ 5) увеличить удельную мощность двигателя без изменения его основных размеров только за счет повышения давления наддувочного воздуха – p_К , и надлежащего его охлаждения.

Наддув дизеля может осуществляться следующими способами: механическим, газотурбинным и комбинированным.

При механическом наддуве нагнетатель поршневого, ротативного или центробежного типа приводится в действие от коленчатого вала двигателя. Применение механического наддува влечет за собой потерю мощности двигателя на привод компрессора, которая может достигать 7 ÷ 10 % от эффективной мощности двигателя. В чистом виде механический наддув в современных дизелях, как правило, не применяется.

В настоящее время в двух- и четырехтактных дизелях применяют газотурбинный наддув. Он может осуществляться следующими способами:

— турбонаддув с изобарной турбиной : при этом способе наддува выхлопные газы собираются в выхлопном коллекторе. В коллекторе происходит выравнивание давления газов и поля скоростей. Из выхлопного коллектора при постоянном давлении газы подаются на рабочие лопатки газовой турбины, приводящей во вращение компрессор;

— турбонаддув с импульсной турбиной: при таком способе наддува используется кинетическая энергия газов в виде импульсов в периоды свободного выпуска. Соединительные трубы между выпускными окнами или клапанами и газовыми турбинами делаются как можно короче с целью уменьшения дросселирования газов в выхлопном патрубке и максимального сохранения их кинетической и тепловой энергии.

Рабочий цикл дизельного двигателя без наддува состоит из следующих термодинамических процессов (рис. 27):

Рабочий цикл дизеля с изобарным наддувом состоит из следующих термодинамических процессов (рис. 28):

• 1− 2 – адиабатное сжатие воздуха в рабочем цилиндре двигателя;
• 2 − 3 – изохорный подвод тепла Q₁′ в цилиндре при сжигании части топлива в конце такта сжатия;
• 3 − 4 – изобарный подвод тепла Q ₁′′ при сжигании части топлива в начале такта расширения;
• 4 − 5 – адиабатное расширение газов в цилиндре двигателя;
• 5 −1 – изохорный отвод тепла в газовыхлопной коллектор;
• 9 − 6 – изобарный подвод теплоты Q₂ к рабочему телу (выравнивание давлений газов в коллекторе перед подачей их в изобарную турбину);
• 6 − 7 – адиабатное расширение газов в газовой турбине;
• 7 − 8 – изобарный отвод теплоты Q₂′ к холодному источнику (выброс выхлопных газов в атмосферу;
• 8 − 9 – адиабатное сжатие воздуха в турбокомпрессоре;
• 9 −1 – изобарный отвод теплоты Q₂′′ в охладителе надувочного воздуха

Площадь фигуры a − 6 − 7 − b на диаграмме численно равна работе, совершаемой при расширении газов в газовой турбине. Площадь фигуры a − 9 − 8 − b численно равна работе, затраченной на сжатие воздуха в компрессоре. Площадь, ограниченная фигурой 6 − 7 − 8 − 9 численно равна полезной работе, полученной при использовании турбокомпрессора (приращение полезной работы цикла с изобарной турбиной).

Термодинамический цикл дизеля с импульсным наддувом, в отличие от изобарного, имеет следующие особенности (рис. 29):

• 5 − 6 – продукты сгорания, совершив работу расширения в цилиндре двигателя, без потерь поступают в газовую турбину, где продолжается их дальнейшее расширение;
• 6 − 7 – изобарный отвод теплоты Q′₂ от продуктов сгорания к холодному источнику (выброс газов в атмосферу);
• 7 − 8 – адиабатное сжатие воздуха в турбокомпрессоре;
• 8 −1 – изобарный отвод теплоты Q′′₂ от сжатого воздуха в воздухоохладителе.

Площадь диаграммы a − 5 − 6 − b численно равна работе, совершаемой газами в газовой турбине; площадь диаграммы c − 8 − 7 − b – работе сжатия компрессора. Площадь фигуры 1 − 5 − 6 − 7 − 8 численно равна полезной работе турбокомпрессора с импульсной турбиной (приращение полезной работы цикла с импульсной турбиной).

Применение газотурбинного наддува дизельного двигателя позволяет:

• — наиболее полно использовать тепловую и кинетическую энергию продуктов сгорания, покидающих цилиндры двигателя (т.е уменьшить потери с уходящими газами Q_Г – самую большую составляющую тепловых потерь дизельного двигателя);
• — без дополнительных затрат энергии осуществить сжатие воздуха, подаваемого в цилиндры двигателя, что в свою очередь повышает среднее эффективное давление и, соответственно, мощность дизеля;
• — за счет использования перечисленных мероприятий повысить общий КПД дизельной энергетической установки.

Основные компоновочные схемы дизельных двигателей с наддувом

Все компоновочные схемы судовых дизельных установок с наддувом можно разделить на три большие группы:

• схемы наддува с механической связью между поршневым двигателем и наддувочным агрегатом (схемы с подключенным турбокомпрессором);
• схемы наддува с газовой связью (со свободным турбокомпрессором);
• комбинированые схемы наддува , включающие сочетания механической и газовой связи, либо использование различных способов газотурбинного наддува (изобарный и импульсный наддувы).

Ниже рассмотрены наиболее часто применяемые схемы осуществления механического, газового и комбинированного наддува дизелей, их особенности, преимущества и недостатки.

Схема наддува с механической связью

В схеме наддува с механической связью (рис. 31.а) компрессор приводится в действие непосредственно от коленчатого вала дизеля через повышающую механическую передачу – мультипликатор. Сжатый в компрессоре воздух поступает в воздухоохладитель, где от него отводится часть теплоты (повышается плотность заряда воздуха), и затем направляется в наддувочный ресивер двигателя.

Основным недостатком схемы является тот факт, что на привод компрессора затрачивается значительная часть мощности (от 7 до 10 %), полученной в рабочих цилиндрах двигателя (потери N _К ). Это в свою очередь приводит к некоторому снижению мощности двигателя и его экономичности. Такая схема обычно применяется в дизелях с низкой степенью наддува, а также в двухтактных дизелях без наддува.

Схема наддува с газовой связью (импульсная турбина)

В данной схеме наддува (рис. 31.б) продукты сгорания из двигателя по коротким патрубкам направляются в импульсную газовую турбину, где продолжается их расширение. Газовая турбина преобразует энергию газов в механическую работу и передает ее компрессору, находящемуся с ней на одном валу. При использовании схемы с чисто газовой связью мощность, полученная в турбине, на всех режимах работы равна мощности компрессора. Как и в предыдущей схеме, воздух, сжатый в компрессоре, через воздухоохладитель поступает в наддувочный ресивер двигателя.

Основными преимуществами рассмотренной схемы являются: простота конструкции, небольшие габариты турбокомпрессора, автоматическая газовая связь между нагрузкой двигателя, частотой вращения турбины и параметрами наддувочного воздуха. Недостатком схемы (по сравнению со схемой с механической связью) является ухудшение пусковых качеств дизелей, так как в начальный момент пуска дизеля турбина не работает.

Схема наддува с комбинированной связью

В рассматриваемой схеме наддува (рис. 31.в) турбоагрегат частично снимает мощность с коленчатого вала двигателя через мультипликатор, и частично – с вала импульсной газовой турбины. Причем на мощностях двигателя, близких к полным, работа турбокомпрессора обеспечивается только за счет мощности, вырабатываемой газовой турбиной, а на малых мощностях и в пусковых режимах бóльшая часть мощности отбирается от коленчатого вала двигателя. Данная схема обеспечивает хорошие пусковые качества дизеля и возможность форсирования двигателя по наддуву. Недостатками схемы являются усложнение дизеля за счет применения повышающей передачи – мультипликатора, и связанные с механической передачей дополнительные потери на привод компрессора на малых нагрузках двигателя.

Схема с изобарным наддувом

В этой схеме наддува (рис. 31.г) отработавшие газы из цилиндров двигателя выходят в выпускной коллектор, где выравнивается поле скоростей и давлений газов, а затем, практически при постоянном давлении, поступают в изобарную газовую турбину. Газовая турбина передает мощность компрессору, осуществляющему сжатие воздуха и находящемуся с ней на одном валу. Сжатый воздух через охладитель направляется в наддувочный ресивер двигателя.

При использовании чисто изобарного наддува на режимах малых нагрузок двигателя турбокомпрессор не обеспечивает потребный расход воздуха. На этих режимах работы двигателя дополнительно включаются в работу электроприводные компрессоры, специально установленные на дизеле.

Схема двухступенчатого комбинированного наддува

В рассматриваемой схеме наддува (рис. 31.д) продукты сгорания из цилиндров дизеля сначала направляются в импульсную газовую турбину, где происходит преобразование энергии газов в механическую работу вращения ротора турбины, а затем в выхлопной коллектор дизеля, где происходит выравнивание давления газов. Из выхлопного коллектора продукты сгорания поступают на рабочие лопатки изобарной газовой турбины, отдают ей свою энергию и выбрасываются в атмосферу. Мощность, вырабатываемая импульсной газовой турбиной, передается компрессору второй ступени сжатия, мощность изобарной турбины – компрессору первой ступени сжатия. Воздух из атмосферы поступает в компрессор первой ступени сжатия, охлаждается в промежуточном охладителе, досжимается в компрессоре второй ступени сжатия, и через воздухоохладитель поступает в наддувочный ресивер дизеля.

Такие схемы используются при высокой степени наддува с целью повышения показателей экономичности дизеля за счет более эффективного использования энергии газов а также более высоких КПД газовых турбин.

Схема наддува с использованием подпоршневых полостей

В малооборотных крейцкопфных дизелях в качестве приводного компрессора нередко используют подпоршневые полости цилиндров. В этом случае воздух, сжатый в основном турбокомпрессоре, приводимом в действие изобарной газовой турбиной, через охладитель поступает в герметичный картер двигателя к подпоршневым полостям (рис. 31.е). При движении поршня от ВМТ к НМТ воздух дополнительно сжимается и направляется в наддувочный ресивер дизеля.

При такой схеме наддува часть мощности двигателя тратится на сжатие воздуха в подпоршневых полостях.

В некоторых случаях могут использоваться и более «экзотические» схемы наддува. Например, в конструкции дизельного двигателя японской фирмы ххххххх для наддува могут использоваться часть рабочих цилиндров двигателя. При работе двигателя на частичных нагрузках часть цилиндров отключается от топливной системы, и они используются в роли компрессорных цилиндров.

Литература

Судовые энергетические установки. Дизельные и газотурбинные установки. Болдырев О.Н. [2003]

Турбонаддув — принцип действия, достоинства и недостатки

Статья о том, что такое турбонаддув, как он работает, его основные плюсы и минусы. В конце статьи — видео об особенностях и принципах работы турбонаддува.

Содержание статьи:

• Для чего нужен турбонаддув
• Устройство и принцип работы турбонагнетателя
• Преимущества турбонаддува
• Недостатки
• Видео об особенностях и принципах работы турбонаддува

Автомобильный двигатель должен обладать такими характеристиками, которые позволили бы ему не отставать от современности. Технические усовершенствования с каждым годом даются все труднее, потому что велосипед-то изобретать никому не хочется, а улучшать качество мотора необходимо.

Поэтому весьма неплохим решением является использование системы принудительного нагнетания воздуха в камеру сгорания. Самые последние инженерные конструкции охватывают не только улучшение принудительного нагнетания воздуха в топливную систему, но и установку такого же устройства в систему выхлопа отработанных газов.

Для чего нужен турбонаддув

Чтобы понимать важность работы турбонаддува и принцип его действия, необходимо знать, что двигатель не может потреблять топливо в чистом виде. Для вспышки бензина в герметичной емкости нужен воздух, иначе двигатель работать не будет.

То есть, в камеру сгорания должна поступать смесь, состоящая из топлива и воздуха в нужной пропорции. В цилиндре эта смесь сгорает. Появившиеся в результате сгорания газы совершают свою главную работу и затем удаляются через систему выхлопа.

Проще говоря, с помощью турбонаддува воздух сжимается, и в камеру сгорания он поступает в большем количестве, нежели при атмосферном давлении.

Устройство и принцип работы турбонагнетателя

Главная деталь нагнетателя, выполняющая основную функцию – это крыльчатка с лопастями. Вращаясь с огромной скоростью (200 тыс. оборотов в минуту) и действуя как компрессор, она закачивает воздух в турбинную камеру.

После этого происходит сжатие воздуха, за счет чего объем, который этот воздух занимает, уменьшается. Однако давно известно, что по законам физики во время сжатия воздух имеет свойство нагреваться. И это является главным недостатком системы турбонаддува.

Разумеется, эта проблема не могла пройти мимо внимания конструкторов. Решая эту задачу, специалисты попробовали использовать промежуточное охлаждение воздуха на пути его перехода в двигатель.

В результате появился интеркулер. В этом устройстве применяется эффект теплообменника, который имеет свойство охлаждать воздух за счет хладагента. Интеркулер способен увеличить мощность мотора до 20%, и при этом он еще снижает вероятность детонации выхлопных газов.

Особой разницы между турбонаддувом бензиновых и дизельных двигателей почти нет. Отличие лишь в степени наддува. Дизельные двигатели требуют большего давления, и поэтому они оснащены более мощными нагнетателями воздуха. В бензиновых моторах установлены нагнетатели меньшей мощности, потому что при слишком большом давлении в камере сгорания может возникнуть детонация.

Преимущества турбонаддува

«Дармовая» дополнительная мощность. Существует расхожее мнение: наличие добавочной турбины на выхлопном коллекторе мотора порождает добавочную энергию, которая должна вращать точно такую же турбину на впуске, в результате чего выхлопные газы становятся бесплатным источником энергии для нагнетателя.

Однако эта концепция весьма спорная, потому что существует так называемое сопротивление выпуска. Автомобильные конструкторы многие десятилетия добивались снижения этого сопротивления, потому что именно в этом случае повысится мощность двигателя.

Для этого в систему монтируется специальное генерирующее устройство, которое значительно снижает выходное сопротивление. Поэтому было бы неправильным считать работу турбонаддува на дармовой энергии. «Дешевая придаточная энергия» — это будет звучать более точно.

В техническом отношении этот процесс не представляет ничего сложного. Нагнетатель представляет собой устройство, состоящее из двух колес – компрессорного и турбинного. Турбинное колесо захватывает выхлопные газы, приводящие его в движение. В результате начинает вращаться и компрессорное колесо, которое и служит для сжатия воздуха.

Компрессор в обязательном порядке контактирует с системой охлаждения, потому что в процессе действия его температура поднимается довольно высоко. Сила наддува регулируется с помощью перепускного клапана. В случае необходимости он может переводить часть выхлопа мимо турбины, чтобы понизить внутрисистемное давление.

Повышение мощности двигателя без увеличения его объема и массы. Технология турбонаддува позволяет повышать мощность двигателя без увеличения объема цилиндров и их количества. В результате легкие и небольшие по размеру моторы приобретают отличные характеристики, и, кроме этого, сокращается общая масса автомобиля, уменьшаются тормозной путь и время разгона.

Экономичность. Расход топлива у двигателей, оснащенных системой турбонаддува, в разы меньше, нежели расход топлива у мотора такой же мощности с простым атмосферным нагнетанием воздуха. Это объясняется тем, что в цилиндрах с турбонаддувом на один ход поршня тратится намного меньше топлива за счет полного его сгорания. То есть, бедная смесь компенсируется дополнительным напором воздуха, и в результате мощность увеличивается.

Недостатки

Зависимость от оборотов. «Турбояма». Проблема заключается в следующем: нет активного ускорения при разгоне на малых оборотах. Динамика разгона слабая, уступающая даже машинам с атмосферным нагнетанием. А все дело в том, что при малых оборотах энергия выхлопных газов слабая, и, соответственно, турбина нагнетателя тоже вращается слабо, создавая минимальное давление смеси в камере сгорания. То есть, нужный эффект от турбонаддува возникает только при высоких оборотах двигателя.

Кроме этого, есть еще одна проблема: медленность процесса нагнетания воздуха. Действительно, для того, чтобы создать нужное давление на впуске, необходимо некоторое время. Специалисты проводят инженерные исследования в этой области, и уже в какой-то степени удалось уменьшить этот интервал в динамике работы нагнетателя.

Помимо этого, наличие вариатора или автоматической трансмиссии дает возможность машине во время разгона автоматически переключаться на пониженную передачу. За счет этого вредные последствия от инертности нагнетателя ликвидируются.

Сегодня имеются следующие способы решения проблемы инертности турбонаддува:

• битурбонаддув (двойной наддув);
• турбина с адаптивной геометрией;
• комбинированный наддув.

При двойном турбонаддуве применяются две небольшие турбины, которые в совокупности работают намного быстрее, чем одна с номинальным размером. Число цилиндров распределяется между этими турбинами поровну. Аналогом такой системы может быть применение нескольких компрессоров, которые приходят в движение на разных оборотах мотора, каждый в своем режиме.

Турбина с адаптивной геометрией способна изменять размер впускного канала и тем самым регулировать силу потока выхлопных газов, что также повышает эффективность работы системы.

Комбинированный наддув состоит из турбокомпрессора и механического нагнетателя. Нагнетатель создает нужное давление на малых оборотах, но как только обороты возрастают до определенной величины, в работу включается турброкомпрессор.

Высокая температура. Как уже было сказано, сжатие воздуха влечет за собой его нагрев, что отражается на работе мотора не самым лучшим образом. Поэтому зачастую приходится подключать дополнительное охлаждение, и на это уходит часть энергии.

Однако несмотря на перечисленные недостатки, турбонаддув – это отличное средство для повышения мощности и эффективности ДВС, а также его экономичности. Кроме того, многолетний опыт специалистов показывает, что варианты усовершенствования этой системы еще не исчерпаны.

Видео об особенностях и принципах работы турбонаддува: