CC BY
102
УДК 62143 Д. В. ШАБАЛИН
С. В. РОСЛОВ И. Ю. КИЛУНИН А. А. СМОЛИН
Омский автобронетанковый инженерный институт
СТАБИЛИЗАЦИЯ ПАРАМЕТРОВ НАДДУВОЧНОГО ВОЗДУХА С ЦЕЛЬЮ ОБЕСПЕЧЕНИЯ ОПТИМАЛЬНЫХ ЗНАЧЕНИЙ КОЭФФИЦИЕНТА ИЗБЫТКА ВОЗДУХА В ШИРОКОМ ДИАПАЗОНЕ СКОРОСТНЫХ И НАГРУЗОЧНЫХ РЕЖИМОВ РАБОТЫ ДИЗЕЛЯ
Рассмотрена проблема обеспечения оптимальных значений коэффициента избытка воздуха в широком диапазоне скоростных и нагрузочных режимов работы дизеля. Для решения поставленной задачи предложено применить комплексный подход, заключающийся в применении теплового аккумулятора фазового перехода для обеспечения стабильности температуры наддувочного воздуха в тандеме с инерционным накопителем энергии. В качестве накопителя энергии предлагается применить маковичный энергоаккумулятор, получающий заряд на режимах торможения транспортного средства.
Ключевые слова: компрессор, газовая турбина, энергоаккумулятор, маховик, инерционность.
Традиционной задачей современного двига- онности не успевает быстро увеличить подачу воз-телестроения является повышение эффективно- духа. Поэтому на неустановившихся режимах расти рабочего цикла ДВС. Эффективность рабочего боты имеют место сравнительно продолжительные цикла дизеля может характеризоваться индикатор- периоды несоответствия подач топлива и воздуха. ным КПД. В свою очередь, для получения высоко- Наиболее неблагоприятны режимы разгона дизеля го индикаторного КПД дизеля необходимо обеспе- и режимы наброса нагрузки [3]. На этих режимах чить достаточно полное сгорание топлива в широ- подача топлива увеличивается значительно быстрее ком диапазоне скоростных и нагрузочных режи- подачи воздуха.
мов работы дизеля. Значительного снижения а на пониженных ско-
Это возможно при коэффициентах избыт- ростных режимах и при переходных процессах ка воздуха, больших предела дымления, равного можно избежать, если обеспечить соответствующее ад =1,2...1,3 [1—3]. С этой точки зрения, наиболее увеличение подачи воздуха или уменьшение пода-неблагоприятна зона низкой частоты вращения при чи топлива на этих режимах. Способы согласова-работе дизеля с турбонаддувом по внешней ско- ния подач топлива и воздуха путем уменьшения по-ростной характеристике. В этой зоне наблюдает- дачи топлива на режимах с низким давлением над-ся уменьшение давления отработавших газов перед дува рк достаточно изучены. Вместе с тем следует турбиной вследствие уменьшения расхода воздуха отметить, что возможности изменения характери-через двигатель, что приводит к снижению мощ- стик дизеля, и в частности его экономичности, толь-ности турбины и к уменьшению давления наддува ко за счет изменения величины цикловой подачи до 0,11...0,115 МПа, (рис. 1) [2]. Уменьшение давле- топлива могут быть ограничены располагаемой ве-ния наддува на этих режимах ведет к рассогласо- личиной воздушного заряда цилиндров. Увеличение ванию подач топлива и воздуха, уменьшению ко- или уменьшение подачи топлива без соответствую-эффициента избытка воздуха а ниже допустимо- щего изменения подачи воздуха может привести к го уровня, ухудшению процесса сгорания топлива отклонению коэффициента избытка воздуха от его и снижению индикаторного КПД ц.. Снижение а и оптимального для данного режима значения. Более ц. из-за нарушения согласования подач топлива и того, перевод турбопоршневого двигателя с одного воздуха наблюдается и на неустановившихся режи- скоростного режима на другой, как правило, примах работы, когда при быстром увеличении пода- водит к изменению а даже при неизменной подачи топлива турбокомпрессор в силу своей инерци- че топлива.
Tmax,
к
1900
1700 p
' max
МПа 11
10
GT, кг' ч
230 220 210
Тщах
р
kL,
---
hi
к,
Л
И а
к гН
4gc
WPmax,
МПа
град ПКВ
0,9 Фн,
град ПКВ
0,7 20 _
0,5 10 .
tr°C ф.
град ПКВ
600 140
500 120 (
а 100
2,0 gi,
кВт ч
1,8 190 ,
1,6 180 '
1,4 170
X,, /
1/
Фн \
\
.дх.1
Лф та
Ф, \
VJ
% \
gi
>\ у
И
I Л:
Х„ 0,4
0,2
дх I Дф
град ПКВ 0,07
0,05
0,9 0,8
Л i
0,5 0,4 0,3
40
60
80
40
60
tK?c
Рис. 1. Влияние температуры наддувочного воздуха на параметры рабочего процесса дизеля 1 ЧВН 12/12,5 (р =0,18 МПа=Мвш)
Заметим, что сжатие атмосферного воздуха в компрессоре сопровождается не только повышением давления наддува р, но и ростом температуры наддувочного воздуха I. Последнее существенно отражается на характере рабочего процесса в цилиндрах дизеля, экономических характеристиках и его надежности.
Анализ работ по исследованию влияния температуры наддувочного воздуха на параметры дизелей с газотурбинным наддувом свидетельствует о том, что повышение этой температуры на каждые 10 0С уменьшают массу воздушного заряда на 3,0 — 3,5 % и рост удельного эффективного расхода топлива на 0,8—1,5 % [1]. На рис. 1 представлена зависимость параметров рабочего процесса дизесш 1 ЧВН 12/12,5 от температуры наддувочного воздуха при неизменном давленичнадеува д [1, 2].
Из рисунка отчетливо видно, чво снижение До приводит к такому увеличению плотности воздуха, поступающего в цилиндр, что коэффициент избытка воздуха повышается с 1,64 до 2,03(т. е. 23,8%)-Результатом этого является более оолное и Тыстрое сгорание (коэффициент полезного тепловыделения £ увеличился на 4,1 %; скорость тепуoвыдeлeния вна-
.Ах I
чальный период сгорания (-)тах возросла тоже
Аф
почти на 4 %; продолжительность сгорания по углу поворота коленчатого вала (фг) уменьшилась на 22,5 %), что привело к существенному снижению расхода топлива (на 13, 9 % — часового, на10,3% — удельного эффективного и на 12,6 % — удельного индикаторного).
Однако увеличение плотности воздушного заряда приводит не только к благоприятным изменениям в протекании рабочего процесса и тепловом балансе двигателя. Отмечаемое при этом на индикаторных диаграммах [1] увеличение периода задержки воспламенения приводит к увеличению количества топлива, выгорающегов начальный период сгорания (период «взрывного» сгорания) — Хн (практически в два раза). В результате на 42,8 %
возрастают максимальная скорость нарастания давления W , максимальное давление рабочего тела
р max
ртах (на 8,4 %), что существенно увеличивает ударные механические нагрузки на детали кривошипно-шатунного механизма.
На графике хорошо видно уменьшение максимальной температуры рабочего тела — Ттах (практически на 10 %), что, естественно, ведет к соответствующему снижению температуры отработавших газов.
Учитывая сказанное выше, следует иметь в виду, что уровень температуры наддувочного воздуха связан не только с величиной развиваемого компрессором давления (т. е. со степенью повышения давления в компрессоре пк), но и с температурой окружающего воздуха t0 (рис. 2). Из рисунка видно, что увеличение t0 на l0o 0С приводит к росту t более чем на 150 0С со всеми вытекающими из этого рассмотренными ранее последствиями.
Представленные материалы позволяют сделать заключение о том, что наработе двигателя отрицательно сказываетсяи высокая, инизкая температура свежего заряда.
Впервом случаеснижается коэффициент избытка воздуха, увеличивается продолжительность сгорания, увеличивается температура отработавших газов (а значит, потери энергии с выбрасываемыми в атмосферу отработавшими газами), что ведет к снижению коэффициента эффективного тепловыделения, соответственно, увеличивается расход топлива и снижается индикаторный КПД. Растет максимальная температура цикла, а значит, и тепловая нагруженность основных деталей двигателя.
Для повышения эффективности рабочего цикла двигателя возникает необходимость стабилизации параметров воздухоснабжения в широком диапазоне изменениячастот вращения коленчатого вала и нагрузок.Под стабилизациейпараметров воздухоснабжения следует понимать обеспечение постоянства температуры и давления наддувочного воздуха в районе их целесообразных значений с точки зрения оптимального значения коэффициента избытка воздуха оказывающего наиболее сильное
влияние на полноту сгорания подаваемого в цилиндры двигателя топлива и, следовательно, индикаторный КПД дизеля, его экономические и экологические показатели
Применяемые методы обеспечения стабилизации параметров наддувочного воздуха в большинстве сложны конструктивно и требуют затрат дополнительной энергии на функционирование.
Решение данных задач может быть обеспечено комплексом мероприятий, характеризующихся применением энергетических аккумуляторов.
На рис. 3 изображена схема системы стабилизации параметров наддувочного воздуха с приме-
150
100
50
0 Я к 2,0
1,8 1,6
\
\
Рк
п к \
Рк, МПа
0,18 0,16
-40 -20 0 20 40 1о,0с
Рис.2. Влияниетемпературы окружающей среды на параметры наддувочноговоздуха
Рис. 3. Схема комбинированного дизеля с системой
стабилизации параметров наддувочного воздуха: 1 — дизель;2 — электрическая муфта; 3 — турбина; 4 — маховик (инерционный аккумулятор); 5 — обгонная муфта; 6 — повышающийредуктор;7 — электрическая муфта; 8 — трансмиссия автомобиля; 9 — педаль тормоза; 10 — педаль подачитоплива; 11 — электронный блок управления; 12 — компрессор; 13 — тепловойаккумулятор фазовогоперехода; 14 — датчик давления наддувочного воздуха
нением теплового аккумулятора фазового перехода и инерционного аккумулятора. Задачей теплового аккумулятора является обеспечен^ постоянства температуры наддувочного воздуха в широком диапазоне скоростных и нагрузочных режимов работы дизеля. Работа теплового аккумулятора поясняется на рис. 4.
В случае, когда Т >Т (где Т — средняя
^ в.к. ср. тав ср * ^ в.к. ср. А ^
температура наддувочного воздуха при прохождении его через тепловой аккумулятор (ТА); Ттав ср — средняя температура теплоаккумулирующего вещества (ТАВ), часть энергии воздуха будет передаваться ТАВ в форме теплоты, (рис. 4а) и увеличивать его внутреннюю энергию (происходит энергетический «заряд» ТА). При этом температура наддувочного воздуха понижается. Такая картина характерна для работы дизеля на больших нагрузках и высоких частотах вращения коленчатого вала.
В случае, когда Т <Т (режимы малой на-
в.к. ср. тав ср.
грузки и холостого хода), процесс энергообмена протекает в обратном направлении (рис. 4б). Запасенная рабочим телом ТА энергия передается потоку наддувочного воздуха в форме теплоты, повышая его температуру. При этом происходит энергетический «разряд» ТА.
Проблема рассогласования подач топлива и воздуха, уменьшения коэффициента избытка воздуха а ниже допустимого уровня наиболее остро наблюдается на режиме разгона транспортного средства. Одним из наиболее эффективных способов стабилизации а на заданном режиме является подвод дополнительной энергии к ротору турбокомпрессора. Предлагается обеспечить подвод дополнительной энергии от инерционного аккумулятора, накапливающего энергию в процессе рекуперативного торможении транспортного средства.
Рекуперация — это компенсация (или возврат) затрат энергии, а значит, рекуперативная система торможения — это такая система, которая возвращает часть затраченной на торможение транспортного средства энергии. При торможении с использованием традиционной тормозной системы избыток кинетической энергии преобразуется в тепловую энергию трения тормозных колодок и тормозного диска и собственно расходуется в холостую.
Двигатель, оборудованный системой рекуперативного торможения, работает следующим образом.
При равномерном движении (преимущественном режиме работы двигателя) система рекуперативного торможения не задействуется.
При торможении ТС (когда водитель воздействует на педаль тормоза) сигнал от педали тормоза 9 поступает на электронный блок управления (ЭБУ) 11 и затем на электрическую муфту 7 замыкая ее. В результате крутящий момент от трансмиссии 8 передается на повышающий редуктор 6 и далее через обгонную муфту 5 на маховик 4 выполняющий функцию инерционного аккумулятора. Раскручиваясь на режимах торможения маховик запасает кинетическую энергию транспортного средства.
При начале движения или разгоне транспортного средства (когда водитель резко воздействует на педаль подачи топлива). Сигнал педали подачи топлива посрцает на ЭБУ и затем на электрическую муфту, закрепленную на роторе турбокомпрессора, замыкая ее. Таким образом, крутящий момент от маховика передается на ротор турбокомпрессора, обеспечи-ваяего подкручивание на режимах разгона.
Таким образом, проведённые углубленные исследования реализации комплексного подхода
С1аВилизатор icMntftaiypm н^и^яуэ^гчнога воздуха
CiiiSnfiHjatoo теылера1у0ы наддувочного воздуха
TAB
TTTTTT
Надцуиочным воздух
i-U-Li-U;
ТАЗ
-1
ц Cl и
Ii о. с о
X_У
TAB
j TTTTTT?
Наддувочный аоэд/х
1Ш4444
TAB
И
s 2
(Т.
>TT
tau. ср.
(Т,
а)
В 1.ср. * ср. I б)
Рис. 4. Принципиальная схема процесса стабилизации температуры наддувочного воздуха
втепловом аккумуляторе: а) заряд теплового аккумулятора; б) разряд теплового аккумулятора
к проблеме обеспечения стабилизации параметров наддувочного воздуха показывают уменьшение на 30...50% времени разгона и увеличению на 10...15 % средней скорости движения транспортного средства.
Библиографический список
1. Берестнев, Г. А. Обеспечение стабилизации температуры наддувочного воздуха в комбинированных двигателях путем применения теплового аккумулятора [Текст]:дис. ... канд. техн. наук / Г. А. Берестнев. — Челябинск, 2006. — 138 с.
2. Шаб^ио, О- В-Стабилизация земсгратчы наоув°чнош воздуха : момография [ТмкСт]еО- Ю. Фадзев, Е.С.Тееещен-ко. — Омск : Омское кн. изд-во, 2013. — 100 с.
3. Шабалин, Д. В. Сокращение времени разгона дизелей с газотурбинным оаддувомгусеничных и колёсных машин
[Текст] / Е. С. Терещенко, Д.Ю. Фадеев. — Омск : Омское кн. изд-во, 2013. — 100 с.
ШАБАЛИН Денис Викторович, кандидат технических наук, старший преподаватель кафедры двигателей.
РОСЛОВ Сергей Валерьевич, адъюнкт кафедры двигателей.
КИЛУНИН Иван Юрьевич, преподаватель кафедры двигателей.
СМОЛИН Андрей Александрович, преподаватель кафедры чвилателей.
Фррес для переписки: shabalin_d79@mail.ru
Статья поступила в редакцию 23.06.2014 г. © Д. В. Шабалин, С. В. Рослов, И. Ю. Килунин, А. А. Смолин
Книжная полка
629.73/В12
Вавилов, И. С. Теоретико-экспериментальное исследование летательного аппарата на воздушной подушке : моногр. / И. С. Вавилов, В. И. Кузнецов. — Омск : ОмГТУ, 2013. — 151 c. — ISBN 978-5-8149-1680-8.
Рассмотрена проблема малой устойчивости по тангажу летательного аппарата на воздушной подушке на высоких скоростях движения и предложен один из возможных вариантов решения данной проблемы. Приведенный в работе способ теоретически обоснован и экспериментально подтвержден. Некоторое внимание уделено устойчивости по рысканью аппарата на воздушной подушке, в частности, проблеме сноса аппарата под действием бокового ветра. Книга адресована всем, кто интересуется узкой областью проектирования и конструирования амфибийных транспортных средств на воздушной подушке. От читателя потребуется знание элементарных основ аэрогазодинамики и физики.
622/С65
Сорокин, В. Н. Системы, технологии и организация услуг в сервисе транспортных, технологических машин и оборудования : учеб. текстовое электрон. изд. локального распространения : учеб. пособие / В. Н. Сорокин. — Омск : ОмГТУ, 2013. — 1 о=эл. опт. диск (CD-ROM).
Изложены основные сведения, необходимые для организации технического обслуживания и ремонта транспортных, технологических машин и оборудования при разработке и эксплуатации нефтяных и газовых месторождений. Предназначено для студентов дневной формы обучения по направлению 190600.62 «Эксплуатация транспортно-технологических машин и комплексов (нефтегазодобыча)», аспирантов, а также инженерно-технических работников.
