VII Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2015

Мощностные, экономические и ресурсные показатели дизелей в условиях эксплуатации в значительной степени определяются заполнением рабочего объема цилиндра свежим зарядом, что в значительной степени зависит от его температуры. Поиск рациональных путей решения данной задачи остается актуальным и на сегодняшнее время. При этом важной задачей является термодинамический анализ применимых теплообменных или энергетических аппаратов с целью оценки преобразования энергии, происходящих в них процессов или системах.

Возрастание температуры воздуха или заряда в компрессоре зависит от степени повышения давления, КПД компрессора и теплообмена со стенками, т.е. от конструкции компрессора. Повышение температуры на впуске в двигатель имеет следующие отрицательные стороны: ухудшается наполнение цилиндра ДВС, возрастает термическая напряжённость двигателя. Поэтому применение охлаждения заряда целесообразно уже от степени повышения давления порядка 1,5:1,0, а при степени повышения давления выше 2:1, учитывая термическую напряжённость двигателя и связанную с ней эксплуатационную надёжность, применение промежуточного охлаждения необходимо.

Ориентировочные расчеты показывают, что при равном давлении наддува и понижении температуры наддувочного воздуха на 10⁰ увеличение плотности воздуха составляет около 3%. Следовательно, при одинаковом коэффициенте избытка воздуха и одинаковом удельном расходе топлива повышение мощности составляет около 3%. Кроме того, при снижении температуры заряда на 10⁰ примерно на 0,5% возрастает экономичность.

Связь температуры наддувочного воздуха на входе в цилиндры двигателя Тs, воздуха на входе в турбокомпрессор наддува Тн, в конце процесса сжатия в компрессоре Тки температуры воды на входе в охладитель наддувочного воздуха (ОНВ) Т_w1 может быть установлена с помощью зависимостей, приведенных в работе [1]:

Е= ( T _к-Тs )/(T _к –Т _н), (1)

а также

σ = (T_к–Тs)/( T_к–Т_w1), (2)

гдеЕи σ – степень охлаждения воздуха и степеньотдачи теплоты в ОНВ.

Температуру Т_к можно определить по известному выражению

Т_к= Т_н[1+ (π_к ^0,286 - 1) / η_k ], (3)

которое с высокой степенью точности заменяется зависимостью вида [2]

Тs= T_н^. η _k^{-0,05 .} π_к ^0,609-0,34η _k , (4)

где η_k и π_k – соответственно, КПД и степень повышения давления в компрессоре.

Используя выражения (2) и (4), путем несложных преобразований можно получить зависимостьвида

Тs= T_н^. η _k^{-0,05 .} π_к ^{0,609-0,34η.}(1- σ)+ σ Т _w1 , (5)

С целью дальнейшего анализа влияния температур Т_ни Т_w1 на величину Tsустановим связь между степенью отдачи теплоты σ в ОНВ и степенью охлаждения воздуха Е в виде

σ=k_σ^.Е , (6)

где k_σ – коэффициент связи величин σ и Е.

Считается, что при_к = 1,5 целесообразно использовать охлаждение наддувочного воздуха, а при _к> 2 – охлаждение необходимо [3]. Зависимости коэффициента k_σот температуры воздуха на входе в компрессор T_к при различных значениях _к приведены на рис. 1 [4].

Рис. 1 Зависимость коэффициента связи k_σ от температуры воздуха на входе

в компрессор T_к и параметров процесса сжатия

Чем выше степень повышения давления компрессора и чем выше КПД компрессора, тем выше коэффициент связи величин σ и Е, но при этом с повышением температуры наддува уменьшается коэффициент. Чем выше эта характеристика, тем выше степень отдачи теплоты в ОНВ, тем меньшее значение будет иметь температура наддувочного воздуха на входе в цилиндры двигателя. Как видно из формулы (6) чем выше степень охлаждения, тем выше степень отдачи теплоты в ОНВ. Эти характеристики зависят от охлаждающего вещества (вода, воздух) и способа охлаждения.

1. Охлаждение воздуха может осуществляться водой и воздухом. При применении воды температура воздуха после охладителя лишь на несколько градусов превышает температуру воды на входе. При применении в качестве охладителя воздуха температура заряда после охлаждения примерно на 15⁰ превышает температуру окружающей среды. При использовании новых технологий обработки легких металлов автомобильные системы охлаждения типа «воздух/воздух» получают преимущества по сравнению с системами «вода/воздух». Следует также добавить, что коэффициент теплоотдачи для воздуха на порядок ниже, чем для жидкости, поэтому для интенсификации теплоотдачи между газом и поверхностью теплообменника часто увеличивают площадь поверхности.

Для охлаждения наддувочного воздуха в современных дизелях могут применяться различные способы охлаждения поверхностное, испарительное, водоконтактное, турбодетантерное, охлаждение с применением вихревого эффекта.

При поверхностном охлаждении в зависимости от конструкции могут быть пластинчатые и трубчатые теплообменники, которые получили большее распространение, а по виду теплоносителя охладители могут водо-воздушные и воздухо-воздушные.

Основное преимущество трубчатых теплообменников – надежность, особенно в условиях вибрации.

Газовые охладители применяются только в автотракторных и тепловозных двигателях. Главное их преимущество – простота конструкции.

В зависимости от направления движения теплоносителей теплообменники могут быть прямоточными, противоточными и перекрестноточными.

Теплообменник должен обеспечивать температуру наддувочного воздуха не ниже 320 К. Снижение температуры наддувочного воздуха обычно составляет 40-70.

Величинар_ох согласно ГОСТ для тепловозных, судовых и автотракторных дизелей должна быть не более 4,9 кПа.

При испарительном охлаждении охлаждающая вода распыливается перед входным патрубком компрессора, в результате чего процесс сжатия в нем приближается к изотермическому. При этом температура воздуха на выходе из компрессора падает почти пропорционально количеству впрыскиваемой воды. Например, при расходе воды, составляющем 1% от расхода воздуха, снижение температуры воздуха составляет 24, а при 1,6% – 40.

При испарительном охлаждении КПД компрессора и степень повышения давления на 3-5% выше, чем без охлаждения, температура газов перед турбиной на 60-80 ниже.

Однако данный метод не получил распространения из-за ухудшения свойств смазочного масла при попадании в него воды, а также из-за высоких требований к чистоте и жесткости воды.

При контактном охлаждении надувочный воздух непосредственно контактирует со струями воды. Недостатками метода являются возможность попадания воды в цилиндры двигателя, большой расход воды и необходимость дополнительных затрат мощности на прокачку воды.

Принцип работы турбодетандера основан на расширении воздуха в рабочем колесе турбины. Воздух отдает энергию, за счет чего происходит понижение его температуры. Эта энергия может использоваться для дополнительного сжатия газа в компрессоре.

Охлаждение с применением вихревого эффекта может быть применим для охлаждения воздуха, необходимого для приготовления горючей смеси. Для этого необходимо установить вихревую трубу в газо-воздушный тракт впускной системы двигателя внутреннего сгорания. При этом вихревой эффект представляет собой газодинамический процесс, который проходит в пространственном турбулентном потоке сжимаемого газа и который реализуется в вихревой трубе.

Движение охлаждающего теплоносителя может быть осуществлено также различными способами, выбор которых производят исходя из уровня наддува, компоновочных условий, имеющихся на двигателе, условий эксплуатации транспортных средств и др. В результате сочетания определенного вида охлаждающего теплоносителя и способа его перемещения могут быть выполнены различные схемы системы охлаждения наддувочного воздуха. [5].

Выбор схемы охлаждения наддувочного воздуха для определенного двигателя обычно проводится на основании технико-экономического обоснования. При этом следует учесть, что любая система ОНВ всегда взаимодействует с системой охлаждения двигателя и оказывает определенное влияние на ее работу, поэтому во всех случаях необходимо уточнять характеристики агрегатов системы охлаждения двигателя с учетом этого обстоятельства.

Таким образом, применение охладителей наддувочного воздуха в современных двигателях обеспечивает улучшение их топливно-экономических и экологических показателей. При этом особо важной является разработка теплообменных систем в ОНВ с минимальными энергетическими потерями в тепломассообменных процессах, наибольшей эффективностью при снижении температуры наддувочного воздуха и оптимальными удельными расходами конструкционных материалов. Учитывая, что все термодинамические процессы в ОНВ необратимые, то при оценке тепловых потерь перспективным методом является использование энтропийного подхода и связанных с ним вариационных принципов неравновесной термодинамики[6,7]. Это позволяет установить оптимальные законы изменения температуры теплоносителя и расходы воздушного потока в системе воздухоснабжения.

Литература

1. Двигатели внутреннего сгорания: Теория поршневых и комбинированных двигателей / Д.И. Вырубов, Н.А. Иващенко, В.И. Ивин и др. / Под ред. А.С. Орлина, М.Г. Круглова. − М: Машиностроение, 1983. − 372 с.

2. Сирота А.А. Исследование влияния температуры наружного воздуха и забортной воды на температуру наддувочного воздуха на входе в цилиндр судовых дизелей// Науковіпраці ЧДУ ім. Петра Могили. Серія «Техногеннабезпека». − 2009. − № 98 (111) . − С. 20-26.

3. А.А.Сирота, Н.И. Радченко. Влияние эксплуатационных факторов и системы охлаждения на температуру наддувочного воздуха на входе в цилиндры судовых дизелей//Двигатели внутреннего сгорания.- 2013.- №2 ‒ с. 116-119.

4. ВахитовЮ.Р. Агрегаты наддува двигателей. ‒Уфа , 2012.‒242 с.

5. Турбодвигатели и компрессоры: Справ.пособие / Г. Хак, Лангкабель. -М.: ООО Издательство Астрель, 2003. - 351 с.

6. Зейнетдинов Р.А. Теоретические основы энтропийно-статистического анализ энерготехнологических процессов в поршневых двигателях. СПб: СПБГАУ, 2011. - 155 с.

7. Зейнетдинов Р.А. Влияние неравномерности термогазодинамических процессов систем воздухоснабжения ДВС на коэффициент наполнения // Сб. научн. трудов научно- практической конференции «Научное обеспечение инновационного развития АПК», Ч.1. СПб.: СПбГАУ. 2014. – С. 340-345.

Код для цитирования: Скопировать