CC BY
51
Filipovich Oleg Viktorovich, candidate of technicale sciences, docent, za-mik@ ukr.net, Russia, Sevastopol, Sevastopol State University,
Nevar Galina Valerevna, postgraduate, zamik@ ukr.net, Russia, Sevastopol, Sevastopol State University,
Garmatyuk Michael Igorevich, engineer, zamik@ukr.net, Russia, Sevastopol, Sevastopol State University,
Zamoryonova Daria Viktorovna, candidate of technicale sciences, docent, za-mik@ ukr.net, Russia, Sevastopol, Sevastopol State University
УДК 621.436
УВЕЛИЧЕНИЕ ДАВЛЕНИЯ НАДДУВА КОМБИНИРОВАННОГО ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ
А.В. Егоров, Ю.Ф. Кайзер, А.В. Лысянников
Представлена новая конструкция системы газотурбинного наддува двигателя внутреннего сгорания (ДВС) транспортного средства, обеспечивающая повышение мощности турбокомпрессора при движении транспортного средства, увеличение эффективной мощности двигателя и уменьшение удельного эффективного расхода топлива.
Ключевые слова: двигатель внутреннего сгорания, турбина, система наддува, давление, поток воздуха, впускной трубопровод.
На современном этапе развития двигателестроения, когда многие из пределов технического совершенствования ДВС уже достигнуты, необходим поиск новых методов совершенствования эффективных показателей ДВС. Одним из таких методов является грамотное использование условий эксплуатации транспортного средства.
При работе ДВС в его впускном коллекторе создается разряжение, которое на ряде современных автотранспортных средств (Subaru Impreza, Mitsubishi Pajero, Mitsubishi Lancer Evolution) компенсируется энергией набегающего потока воздуха.
Набегающий поток воздуха можно использовать как для компенсации падения давления во впускном трубопроводе при всасывании, так и для увеличения мощности турбокомпрессора комбинированного ДВС.
Такое техническое решение предложено в патенте на изобретение [1]. Суть технического решения, отраженного в патенте, поясним с помощью рисунка.
Принципиальные отличия предлагаемой конструкции от существующих заключаются в следующем:
- наличие диффузора на впускном канале. Он необходим для увеличения скорости движения воздуха во впускном трубопроводе до 70 м/с. Большинство серийных транспортных средств не достигает такой скорости (максимальная скорость для легковых до 55 м/с, грузовых до 40 м/с). Таким образом, необходимо применять усилитель скорости течения воздуха;
- наличие диффузора на выхлопной трубе. Он необходим для создания местного падения давления на выходе из выхлопной системы. Местное падение давления увеличит перепад давлений между входом и выходом турбины турбокомпрессора, что приведет к увеличению мощности турбокомпрессора.
Мощность турбокомпрессора [2]
NТК = Чтурб 'г (г = , (1)
Лад.к
где Цтурб = 0,7- коэффициент полезного действия турбины; Ог - расход газа через турбину, кг/с; 1г - удельная работа расширения продуктов сгорания топлива на турбине, Дж/кг; Цад,к = 0,75 - адиабатический коэффициент полезного действия компрессора; Ов - расход воздуха через компрессор, кг/с; 1в - удельная работа сжатия воздуха в компрессоре, Дж/кг.
п-1
'г = Ы п -1
г л Р2
V Р1 У
-1
(2)
где Яг - индивидуальная газовая постоянная, Дж/(кг К); Тг - температура газов перед турбиной, К; Р2, Р1 - давление газов на входе и выходе из турбины Па; п - показатель политропы расширения газов в турбокомпрессоре.
При движении транспортного средства набегающий поток воздуха поступает на вход выпускного диффузора, имеющего круглое поперечное сечение диаметром d1 со скоростью , и доходит до наиболее узкого сечения диффузора диаметром d2, при этом имея скорость v2 :
2 2 РЛл РЛ 2
VI--— = у2--—;
1 4 2 4 d12
d 2
При этом часть внутренней энергии набегающего потока тратится на увеличение кинетической энергии потока, что приводит к местному падению температуры
п
2 2
-^ = с р АТ:
2 р
АТ
2 2 V — V
2 М
V,
2с
2с
(3)
1
Система газотурбинного наддува двигателя внутреннего сгорания транспортного средства: 1 - впускной диффузор; 2 - впускной трубопровод; 3 - турбокомпрессор; 4 - впускной коллектор; 5 - поршневой двигатель; 6 - выпускной коллектор; 7 - выпускной канал; 8 - глушитель; 9 - выхлопная труба; 10 - выпускной диффузор
Полагая, что процесс течения воздуха в выпускном диффузоре адиабатный, падение давления определится как
к—1
Л
ратм
Т.
атм _
Т — АТ
атм
. ратм Ар, где к - показатель адиабаты для воздуха.
к
Падение давления в выпускном диффузоре
Ар Ратм
1 -
Т
атм
Т
V атм
АТ
к 1-1
(4)
Таким образом, давление р1 на выходе из выхлопной трубы, расположенном в зоне максимального разряжения, уменьшиться на величину Ар (полагая потери в глушителе равными нулю в идеальном случае). А
удельная работа продуктов сгорания возрастет до
п-1
р2 "
¡г =
п
п
1
ЯгТг
р1 - Ар
п
-1
(5)
При допустимой температуре газов перед турбиной Тг =923 К, газовой постоянной продуктов сгорания топлива Яг = 286 Дж/(кг ■ К), показателе политропы расширения п = 1,34, давлении газов перед турбиной р2= 0,147 МПа, давлении на выходе турбокомпрессора р1= 0,1223 МПа определим удельную работу продуктов сгорания согласно выражению (2):
.Дж
!г = 98265-
кг
Полагая, что удельная изобарная теплоемкость воздуха ср = 1009 Дж/(кг ■ К) при Т = 27 оС и р = 0,103 МПа, скорость движения
/ \ /Г атм ± атм 5 у г ^
транспортного средства = 30 м/с, отношения диффузора d2 = 3, а показатель адиабаты воздуха к = 1,4, воспользовавшись формулами (3) и (4), определим падение давления в выпускном диффузоре:
АТ = 3,57 К; Ар = 0,0128 МПа. Тогда удельная работа продуктов сгорания составит
Дж
¡г = 137254
кг
Таким образом, в идеальном случае возможно увеличение работы турбины турбокомпрессора при движении транспортного средства, оснащенного системой газотурбинного наддува, в I'/¡г = 1,4 раза.
При увеличении работы турбины в 1,4 раза, принимая постоянные значения Цтурб, Сг, Ов, Ладк в выражении (1), работа сжатия воздуха в
компрессоре также может быть увеличена до 1,4 раза, что приведет к росту степени повышения давления воздуха в компрессоре.
1
Степень повышения давления воздуха —к = 1,76 в турбокомпрессоре стандартной системы турбонаддува при температуре воздуха перед компрессором Т = 293 К выразим из выражения удельной работы сжатия турбокомпрессора:
п-1
1в
п
п -1
явтв
(— К У
-1
1,4
1,4 -1
• 286•293
1,4-1
(1,76) Т4"
= 51900 Дж/К,
где Яв = ЯР
рК =
(п - 1)в
пКвТв
п
+1
п-1
(6)
При увеличении работы 1в в 1,4 раза до ¡'в =72660 Дж/К степень повышения давления составит
р К =
_ (п - 1>в , 1 " п-1
_ пквтв _
(1,4 - !)• 72660
+1
1,4 1,4-1
= 2,17.
1,4 • 293 • 286
Увеличение степени повышения давления в компрессоре при дви-
/
жении транспортного средства со скоростью 30 м/с составит —К = 1,23,
— К
или 23 %.Рост степени понижения давления в турбине
Р2
Р! - Ар _ р\ _ 0,103
Р2 Р1
Р! -Ар 0,103-0,0128
1,142 раза или 14 %.
Таким образом, использование энергии набегающего потока воздуха возможно не только для компенсации падения давления во впускном трубопроводе, но и для увеличения удельной работы продуктов сгорания топлива (работы турбины). Возможный рост удельной работы продуктов сгорания топлива при соединении выхода выхлопной трубы с зоной максимального разряжения выпускного диффузора для отечественного автотранспортного средства (например, КамАЗ) может составлять порядка 40 %, а степень повышения давления турбокомпрессором - до 23 %.
Список литературы
1. Пат. 2324058 РФ, МПК Б 02 В 37/02, Б 01 N 7/08. Система газотурбинного наддува двигателя внутреннего сгорания транспортного средства / А.В. Егоров; заявитель и патентообладатель А.В. Егоров. № 2006140204/06; заявл. 14.11.2006; опубл. 10.05.2008.
п
1
п
2. Колчин А.И. Расчет автомобильных и тракторных двигателей: учеб. пособие для вузов / А.И. Колчин, В.П. Демидов. 3-е изд. перераб. и доп. М.: Высш. шк., 2003. 496 с.
Егоров Алексей Васильевич, канд. техн. наук, доц., aleksej egorov@hk.ru, Россия, Йошкар-Ола, Поволжский государственный технологический университет, Институт механики и машиностроения,
Кайзер Юрий Филиппович, канд. техн. наук, доц., kaiser170174@mail.ru, Россия, Красноярск, Сибирский федеральный университет, Институт нефти и газа,
Лысянников Алексей Васильевич, канд. техн. наук, доц., lysyanni-kov.alek@mail.ru, Россия, Красноярск, Сибирский федеральный университет, Институт нефти и газа
THE INCREASE IN THE BOOST PRESSURE OF THE COMBINED INTERNAL
COMBUSTION ENGINE
A.V. Egorov, Y.F. Kaiser, A.V. Lysyannikov
The paper presents a new design system for gas turbine supercharginginternal combustion engine vehicles that enhance the capacity of the turbocharger when the vehicle is moving, increase the effective power of the engine and decrease the specific effective fuel consumption.
Key words: internal combustion engine, turbine, system a supercharger is an air, pressure, airflow, intake pipe.
Egorov Alexey Vasilyevich, candidate of technical sciences, docent, aleksej egorov@bk.ru, Russia, Ioshkar-Ola, Volga State University of Technology, Institute of Mechanicsand Machine Building,
Kaiser Yury Filippovich, candidate of technical sciences, docent, kais-er170174@mail.ru, Russia, Krasnoyarsk, Siberian Federal University, Institute of Oil and Gas,
Lysyannikov Alexey Vasilyevich, candidate of technical sciences, docent, av.lysyannikov@mail.ru, Russia, Krasnoyarsk, Siberian Federal University, Institute of Oil and Gas
