Судовые двигатели внутреннего сгорания. Лекция 14 презентация

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

Способы форсирования двигателей

Способы форсирования двигателей

Способы форсирования двигателей

Способы форсирования двигателей

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 окисления-сгорания требуется определенное количество воздуха. В свою очередь, это и требует увеличение расхода воздуха через двигатель для его форсирования, которое достигается уже упомянутыми мероприятиями.

Способы форсирования двигателей

Способы форсирования двигателей

Способы форсирования двигателей

Виды наддува двигателей

Виды наддува двигателей

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 посред-ством механической передачи (шестеренная, цепная, ременная и т.д.). Использование механи-ческого наддува оказывает двоякое влияние на ме-ханический к.п.д. двигателя. Двухфакторное влияние носит антагонистический характер.

Виды наддува двигателей

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.

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.

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).

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.

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).

Использование энергии отработавших газов

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.

Использование энергии отработавших газов

Использование энергии отработавших газов

Использование энергии отработавших газов

Использование энергии отработавших газов

Импульсные системы наддува

Импульсные системы наддува

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.

Импульсные системы наддува

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;

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:

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.

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

Импульсные системы наддува

Импульсные системы наддува

Изобарные системы наддува

Изобарные системы наддува

Изобарные системы наддува

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.

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.

Энергетический и массовый баланс турбокомпрессора

Энергетический и массовый баланс турбокомпрессора

Энергетический и массовый баланс турбокомпрессора

Энергетический и массовый баланс турбокомпрессора

Энергетический и массовый баланс турбокомпрессора

Энергетический и массовый баланс турбокомпрессора

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.

Энергетический и массовый баланс турбокомпрессора

Энергетический и массовый баланс турбокомпрессора

Энергетический и массовый баланс турбокомпрессора

Энергетический и массовый баланс турбокомпрессора

Энергетический и массовый баланс турбокомпрессора

Энергетический и массовый баланс турбокомпрессора

Энергетический и массовый баланс турбокомпрессора

Энергетический и массовый баланс турбокомпрессора

Энергетический и массовый баланс турбокомпрессора

Энергетический и массовый баланс турбокомпрессора
Параллельно с этим, в четырехтактном двигателе может быть повышено давление в выпускном кол-лекторе 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.

Организация систем наддува в четырехтактном двигателе

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.

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.

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

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, дизель-генераторы), широко распро-странены импульсные системы наддува, способные за счет использования энергии импульсов давления перед турбиной обеспечивать быстрый рост давления наддува (быстрый разгон ротора ТК).

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

Организация систем наддува в четырехтактном двигателе

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; 4-диффузор; 5-ресивер постоянного давления.

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.

Организация систем наддува в четырехтактном двигателе

Организация систем наддува в четырехтактном двигателе

Организация систем наддува в двухтактном двигателе

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 научно-техническую задачу.

Организация систем наддува в двухтактном двигателе

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.

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 обес-печивается благодаря использовнию электро-приводной воздуходувки.

Особенности эксплуатации систем наддува

Особенности эксплуатации систем наддува
В атмосферном двигателе на отклонения в процессах газообмена влияет только изменение состояния проточных частей коллекторов (реси-веров), 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 газо-турбинным наддувом добавляется еще ряд факто-ров влияния таких как, состояние охладителя над-дувочного воздуха, невозвратных клапанов, проточ-ных частей и лопаток турбины и компрессора.

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.

Особенности эксплуатации систем наддува

Особенности эксплуатации систем наддува

Особенности эксплуатации систем наддува

Особенности эксплуатации систем наддува

Особенности эксплуатации систем наддува

Особенности эксплуатации систем наддува

Особенности эксплуатации систем наддува

Особенности эксплуатации систем наддува

Особенности эксплуатации систем наддува

Особенности эксплуатации систем наддува

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.

Перспективы повышения эффективности использования энергии отработавших газов

Перспективы повышения эффективности использования энергии отработавших газов
Неуклонный рост КПД современных турбоком-прессоров 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 про-исходит 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.

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

Перспективы повышения эффективности использования энергии отработавших газов
В больших энергетических установках невостребо-ванная в ТК энергия отра-ботавших газов переда-ется для дальнейшей ути-лизации в силовой газовой турбине 2 или в паротур-бинной установке, рабо-тающих на электрогене-ратор 3 или передающей энергию на выходной вал двигателя через редуктор.

Перспективы повышения эффективности использования энергии отработавших газов
Частичное решение проблем обеспечения наддува на режимах малой мощности возможно за счет использования регулиру-емого 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 опреде-ленной программе.

Перспективы повышения эффективности использования энергии отработавших газов
Наиболее перспективной в рассматриваемых аспектах представляется концепция турбо-электрокомпрессора. 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.

Перспективы повышения эффективности использования энергии отработавших газов