Поршневые двигатели внутреннего сгорания (ДВС) являются одной из важнейших составных частей энергетического комплекса России. Общая мощность парка ДВС страны примерно в 5,5 раз превосходит установленную мощность всех электростанций страны, включая атомные. Двигатели внутреннего сгорания влияют не только на интенсивность развития многих отраслей народного хозяйства, но и в значительной степени определяют их экономику. Это обусловлено тем, что основным источником энергии для автономных машин транспорта, сельского хозяйства, строительно-дорожной техники, передвижных электростанций, буровых и насосных установок, а также многочисленных средств малой механизации являются ДВС, потребляющие значительную долю топливно-энергетических ресурсов страны. Материалы многочисленных исследований показывают, что поршневые и комбинированные ДВС сохранят за собой ведущую роль в качестве источника энергии для традиционных потребителей на обозримую перспективу, и в значительной мере будут определять технико-экономический уровень использующих их машин (производительность, экономичность, надёжность, стоимость эксплуатации и технического обслуживания, экологические и эргономические характеристики). Наметившееся в 30-х годах в СССР применение дизелей на тракторах и автомобилях завершилось полной дизелизацией тракторного парка в 1965 г. [1]. Такое предпочтение, отдаваемое дизелям, объясняется рядом их преимуществ перед карбюраторными двигателями. Главными из них являются: меньший, примерно на 25 %, удельный расход топлива; возможность работы на разных топливах; пожарная безопасность. Существенным недостатком дизелей является большая металлоёмкость как из-за более высоких нагрузок на детали, так и вследствие особенностей смесеобразования, требующего пока ещё больших ко- эффициентов избытка воздуха, что ухудшает использование рабочего объёма. Однако значительное повышение частоты вращения, улучшение рабочего процесса в неразделённых камерах с объёмно-плёночным смесеобразованием, применение наддува позволили существенно снизить удельную массу дизелей. Одними из основных направлений совершенствования автотракторных дизелей в настоящее время являются форсирование по среднему эффективному давлению путём применения газотурбинного наддува с промежуточным охлаждением наддувочного воздуха, повышение экономичности и снижение токсичности отработавших газов [2]. Получившая широкое распространение рекуперативная система охлаждения наддувочного воздуха имеет ряд недостатков - повышенные потери давления на впуске и связанное с этим уменьшение наполнения цилиндров, загрязнение при эксплуатации поверхностей теплообмена, значительные габариты теплообменников, высокая металлоёмкость и стоимость. Однако существуют и другие способы охлаждения наддувочного воздуха, которые лишены указанных недостатков, в том числе способ 170 испарительного охлаждения наддувочного воздуха. Суть данного способа заключается в подаче мелко распыленной воды в поток нагретого в турбокомпрессоре воздуха. На нагрев и испарение воды затрачивается часть теплоты наддувочного воздуха, в результате чего снижается его температура. Во впускной трубопровод также можно впрыскивать спирты и аммиак, имеющие большую скрытую теплоту испарения. Применение воды целесообразно с точки её дешевизны, удобства хранения и использования. Исследования по применению испарительного охлаждения наддувочного воздуха на судовых и тепловозных дизелях показали его высокую эффективность. Возможность применения испарительного охлаждения наддувочного воздуха на автотракторных дизелях в настоящее время изучена недостаточно. Вместе с тем, дизели тракторов и автомобилей являются одним и ич основных источников загрязнения окружающей среды. Получившие широкое распространение каталитические и жидкостные нейтрализаторы, являясь эффективным средством уменьшения выбросов вредных веществ с отработавшими газами, увеличивают насосные потери на газообмен, работают в относительно узком интервале температур, а многие весьма недёшевы, так как содержат драгоценные и редкоземельные металлы.
Сущность предлагаемого способа организации рабочего цикла дизеля с испарительным охлаждением наддувочного воздуха заключается в подаче воды в поток воздуха, перемещающийся в системе воздухоснабжения дизеля. Разработанный макетный вариант отличается от серийного дизеля тем, что оборудован дополнительной системой для подачи воды во впускной тракт.
На рис.1. представлена схема предлагаемого способа организации рабочего цикла дизеля с испарительным охлаждением наддувочного воздуха. Во впускной тракт перед турбокомпрессором установлена пневматическая форсунка. Подача и регулирование расхода воды производится устройством для подачи воды. Распыливание воды производится сжатым воздухом.
Предлагаемый способ охлаждения наддувочного воздуха, по сравнению с подачей воды после турбокомпрессора, имеет следующие преимущества:
большая степень охлаждения наддувочного воздуха ввиду интенсивного перемешивания воды и воздуха в турбокомпрессоре и лучшего испарения воды;
улучшение характеристик турбокомпрессора вследствие приближения процесса сжатия к изотермическому [3].
► отработавшие газы паровоздушная смесь
► вода ужатый воздух
Рисунок 1 - Схема организации рабочего процесса дизеля с испарительным охлаждением наддувочного воздуха: 1 - устройство для подачи воды; 2 - компрессор; 3 - пневматическая форсунка; 4 - двигатель; 5 - турбокомпрессор.
Предлагаемый способ подачи воды обладает следующими преимуществами:
позволяет регулировать количество подаваемой воды;
обеспечивает достаточно тонкое распыливание воды;
не ограничивает количество подаваемой воды;
не увеличивает гидравлические потери во впускном тракте.
На нагрев и испарение воды затрачивается часть теплоты наддувочного воздуха, в результате чего происходит снижение его температуры, увеличение плотности свежего заряда и улучшение массового наполнения цилиндров. Уменьшение температуры свежего заряда вызывает снижение средней и максимальной температур цикла, что предполагает снижение теплонапряжённо- сти деталей двигателя и замедление реакций образования оксидов азота и уменьшение их содержания в ОГ. Улучшение массового наполнения цилиндров и снижение теплонапряжённости обеспечивает возможность форсирования дизеля по среднему эффективному давлению.
На основании анализа литературных данных установлено, что применение воды в рабочем цикле дизелей улучшает их экологические показатели. Поэтому задача улучшения эффективных и экологических показателей дизелей с наддувом путём подачи воды на впуске представляется весьма актуальной, что и является целью диссертационной работы.
Список использованных источников
Ширяев Ф.Г. Дизельные двигатели. Устройство, обслуживание, ремонт, поиск и устранение неисправностей, 2002. -243 с.
Луканин В.Н., Шатров М.Г., Камфер Г.М. и др. Теплотехника: Учебник для вузов. - М.: Высшая школа, 2003. - 671 с.
Патрахальцев Н.Н., Савастенко А.А Форсирование двигателей внутреннего сгорания наддувом. 2007.-130 с.
