Функциональные особенности и параметры системы эжекционного охлаждения наддувочного воздуха в дизеле

Форсирование дизеля по среднему эффективному давлению в значительной степени достигается совершенствованием процессов газообмена, впрыскивания, смесеобразования и сгорания топлива. Уровень форсирования дизеля принято оценивать удельными параметрами, важнейшим среди которых является литровая мощность. Современное дизелестроение характеризуется тенденцией повышения литровой мощности транспортных дизелей (в зависимости от назначения) до 38…56 кВт/л и более. В новом семействе дизелей с турбонаддувом и размерностью 13/15 производства ООО «ЧТЗ-Уралтрак» заложено достижение перспективных технико-экономических и экологических показателей, в том числе и высокой литровой мощности [1]. Эти дизели имеют газотурбинный наддув с промежуточным охлаждением наддувочного воздуха, применением регулирования турбины турбокомпрессора и рециркуляции отработавших газов (ОГ).

Промежуточное охлаждение наддувочного воздуха в дизелях осуществляется с использованием различных охладителей, например, типа «воздух – воздух» или «воздух – жидкость». Применение того или иного охладителя наддувочного воздуха (ОНВ) зависит от соотношения температур воздуха после компрессора и охлаждающего агента.

Рассеивание теплоты, отведенной от наддувочного воздуха в ОНВ, в окружающую среду осуществляется чаще всего с использованием вентилятора в качестве источника воздушного потока окружающей среды через матрицу ОНВ. Вентилятор, как правило, приводится во вращение от коленчатого вала дизеля. Такие системы охлаждения называют вентиляторными системами, а применение их характеризуется потреблением заметной мощности на привод. Потребность в снижении этой мощности привела к необходимости изыскания других способов создания воздушного потока, например, с помощью эжектора, утилизирующего теплоту отработавших газов дизеля.

Особенности системы эжекционного охлаждения наддувочного воздуха

Целесообразность применения эжектора в качестве источника воздушного потока объясняется рядом его особенностей. Он прост по конструкции и может работать в широком диапазоне изменения параметров газовых потоков. Эжектор используется для поддержания непрерывного потока воздуха, исполняя роль вентилятора для рассеивания теплоты, отводимой радиатором в системах жидкостного охлаждения, удаления пыли из пылесборников воздухоочистителей двигателей внутреннего сгорания, вентиляции моторных отделений транспортных и тяговых машин.

Применение эжектора в системе охлаждения наддувочного воздуха дизеля с газотурбинным наддувом изучено недостаточно полно. Параметры газовых потоков в элементах эжектора должны согласовываться с параметрами воздуха окружающей среды и газа за турбиной турбокомпрессора, а сама система – обладать простотой конструкции и отсутствием подвижных деталей. Использование системы эжекционного охлаждения сопровождается смешиванием отработавших

Расчет и конструирование

газов с охлаждающим воздухом и снижением тем п ературы газовой сме с и, в результате чего улучшаются экологические показатели дизеля. Использование эжектора сн и жает потери мощности дизеля на функционирование системы охлаждения наддувочного воздуха.

В настоящей статье исследуется возможность использования эжектора в системе охлаждения наддувочного воздуха в дизеле с газотурбинным наддувом и определяются его геометрические параметры. Функционирование исследуемой системы эжекционного охлаждения наддувочного воздуха в дизеле заключается в следующем (рис.

1). Воздух из атмосферы поступает в воздухоочиститель 4, где очищается от загрязнений, а затем в компрессор 5. В компресс о ре воздух сжимается, при этом его д авление и температура возрастают. После ко м прессора в оздух направляется в промежуто ч ный охладитель наддувочного воздуха 3, где происходи т теплообме н между наддувочным воздухом после ко м прессора и охлаждающим воздухом, циркулирующим через матрицу охладителя из окружающей среды. Поток охлажда ю щего воздуха после прохождения через матрицу ОНВ поступает в эжектор 8.

Рис. 1. Схема системы эжекционного охлаждения наддувочного воздуха в дизеле: 1 – дизель; 2 – впускной трубопровод; 3 – охладитель наддувочного воздуха (OHB); 4 – воздушный фильтр; 5 – компрессор; 6 – турбина; 7 – выпускной трубопровод; 8 – эжектор

Циркуляция охлаждающего воздуха осуществл я ется за счет эжекционного эффекта, создаваемого истечением потока отработавших газов после турбины турбокомпрессора через сопло эжектора. После охлаждения в промежуточном охладителе 3 воздушный поток от ком п рессора 5 направляется во впускной трубопровод 2 и далее в цилиндры дизеля. Поток отработавших газов из цилиндров дизеля поступает через выпускной трубопровод 7 в корпус турбины 6 турбокомпрессора, где тепловая энергия отработавших газов преобразуется в механическую энергию вращения колеса турбины. Затем поток отработавших газов направляется в эжектор 8.

Для обоснования возможности применения эжектора, утилизирующего энергию отработавших газов, в качестве источника потока охлаждающего воздуха через ОНВ оценим влияние сопротивления, создаваемого эжектором (давления газов за турбиной) на р а боту дизеля, а также рассмотрим более подробно принцип работы системы эжекционного охлаждения.

Определение параметров газового потока на выходеиз турбины турбокомпрессора

Работа дизеля на установившемся режиме харак т еризуется опредёленным расходом воздуха G _в, обеспечиваемым давлением р _к и температурой Т _к перед впускными кла п анами. Эти параметры используются, в частности, при синтезе рабочего цикла и внешней скоростной характеристики дизеля (рис. 2), а требуемые их значения обеспечиваются компрессором турбокомпрессора и охладителем наддувочного воздуха.

Например, для дизеля 4ЧН13/15 при номинальной частоте вращения коленчатого вала n н = 2100 мин^–1 для обеспечения расхода воздуха G в = 0,3 кг/с требуется давление р к = 0,246 МПа и температура Т к = 334 К. Чтобы компрессор мог создать требуемые давление р к , температуру Т к и расход G _в (рис. 3) необходима соответствующая мощность турбины. Мо щ ность турбины, необходимая для привода компрессора на режиме номинальной мощности дизеля, составл я ет 33 кВт. На рис. 3 это линия, разделяющая светлую и затемнённую области. При этом от турбины не требуется большой мощности.

Рис. 2. Зависимость мощности N e , вращающего момента M e , расходов воздуха G в и отработавших газов G г от частоты вращения n коленчатого вала дизеля с газотурбинным наддувом

Рис. 3. Зависимость расхода воздуха G в через компрессор и степени повышения давления п к от мощности турбины N _т и частоты вращения ротора n _т турбокомпрессора: - — G _в,---- п _к

Мощность турбины можно определить по зависимости из работы [2]:

к

N =-- RT ^т к - 1 г г

(

1 - v

к - 1 ^ р^- I k V р т J

G г П т ,

где N _т - мощность турбины, кВт;

к - показатель адиабаты для отработавших газов;

R _г - газовая постоянная для отработавших газов, кДж/(кг • град.);

T _г - температура газа на входе в турбину, К;

р _г - давление газов на входе в турбину, Па;

р _т - давление окружающей среды за турбиной, Па;

G _г - расход газа, кг/с;

Пт - КПД турбины.

На установившемся режиме параметры газа перед турбиной практически не меняются и оказать влияние на работу дизеля может только давление р _г газа за турбиной. Анализ зависимости (1)

Расчет и конструирование

свидетельствует, что увеличение давления газа за турбиной уменьшает её мощность. На рис. 3 показаны мощность турбины при расширении отработавших газов до ат м осферного давления (вся область графика) и при расширении до давления, при котором ее мощности достаточно для обеспечения работы компрессора (светлая область) н а номинальном режиме работы дизеля.

В этом случае избыток мощности (затемненная область) можно направить на обеспечение работы эжектора. Такой запас мощности при сохранении расхода воздуха через компрессор можно получить при увеличении частоты вращения ротора турбокомпрессора и температуры отработавших газов на входе в турбину до предельных значений, ограниченных механическими свойствами материала рабочего колеса.

Увеличение температуры газов на входе в турбину наблюдается при снижении коэффициента избытка воздуха и сопровождается снижением эффективного коэффициента полезного действия η е , увеличением удельного эффективного расхода g e топлива и эффект и вной мощности дизеля (рис. 4 и 5).

Рис. 4. Зависимость эффективного КПД и удельного эффективного расхода топлива g е от коэффициента избытка воздуха α : ––––– η е ; ----- g е

Рис. 5. Зависимость мощности N e и вращающего момента M e дизеля от коэффициента избытка воздуха α : - - - N e ; ––– M e

Так, при уменьшении коэффициента избытка воздуха от значения 1,9 до 1,7 ма к симальная температура Т max рабочего цикла увеличивается на 75 °С. При этом пропорционально увеличивается температура отработавших газов на входе в турбину.

Эффективная мощность дизеля на номинальном ре ж име в этих условиях возрастает н а 19 кВт (8,5 %), максимальный вращающий момент увеличивается с 1129 до 1219 Н · м (7,6 %), а удельный эффективный расход топлива увеличивается с 2 0 8 до 214 г/(кВт · ч) (3 %). При этом мощность турбины возрастает на 4,5 %.

Оценка требуемых параметров охлаждающего воздуха в охладителе

При наличии охладителя наддувочного воздуха (ОНВ) температура воздуха Т к перед впускными клапанами зависит от степени его охлаждения в ОНВ. При этом ст е пень охлаждения в ОНВ типа «воздух – воздух» зависит от интенсивности циркуляции охлаждающего воздуха через матрицу охладителя. Поскольку в исследуемом способе охлаждения надду в очного воздуха использована система, в которой циркуляция охлаждаю щ его атмосферного во з духа через охладитель осуществляется с помощью газового эжектора, определяемое значение расхода о х лаждающего (в дальнейшем эжектируемого) воздуха является исходным для пос л едующего расчета параметров эжектора. Поэтому для определения температуры наддувочного воздуха перед клапанами и параметров охлаждающего воздуха перед эжектором был проведен проектный расчет охладителя [3], а затем построена его характеристика ( р ис. 6).

Анализируя приведенные зависимости можно судить о требуемом расходе охлаждающего воздуха для охлаждения наддувочного воздуха на заданную величину Δ Т , °С. Например, если на номинальном режиме работы дизеля расход наддуво ч ного воздуха составляет G в = 0, 3 кг/с, то для понижения его температуры на 55 °С требуется расход охлаждающего во з духа G = 0,225 кг/с.

Рис. 6. Зависимость степени охлаждения Δ Т , давления р 1 и температуры Т 1 на выходе из охладителя от потребного расхода охлаждающего воздуха G 2 на различных режимах работы дизеля: ---- Δ Т ; ––––– Т 1 ; –– - –– - –– р 1

Особенности рабочего процесса эжекционного устройства – газового эжектора

Независимо от назначения в рассматриваемом эжекторе выделяют конструктивные элементы: сопло 1 высоконапорных (эжектирующих) отра б отавших газов, сопло 2 низкон а порного (эжектируемого) охлаждающего воздуха, смесительная камера 3 и диффузор 4.

Через сопло 1 в эжектор поступают отработавшие газы с давлением р 1 , большим, чем давление р 2 охлаждающего воздуха из окружающей среды. При сужении канала скорость о т работавших газов увеличивается, а давление р 1 уменьшается и становится меньше давления охлаждающего воздуха из окружающей среды. Охлаждающий воздух из окружающей среды устремляется в камеру смешения, где происходит увеличение его с к орости за счет передачи части энергии от эжектирующих отработавших газов и рост кинетической энергии.

К окончанию процесса смешения эжектирующих отработавших газов и эжектируемого охлаждающего воздуха скорость и давление р 3 газовой смеси практически выр а внивается. Э то про-