Современное состояние и перспективы развития различных энергетических установок

Мощность двигателя можно повышать экстенсивно, увеличи­вая рабочий объем цилиндра или число цилиндров i, однако при этом возрастают габаритные размеры и масса двигателя.

Ме­роприятия по интенсивному повышению мощности оценивают литровой мощностью , которая представляет собой отношение номинальной эффективной мощности к рабочему объему двигателя:

—мощность, получаемая с единицы рабочего объема. При заданной номинальной мощности большая литровая мощность обеспечивает снижение рабочего объема и, следовательно, умень­шение габаритных размеров и массы двигателя.

Комплекс технических мероприятий, направленных на повы­шение литровой мощности, называют форсированием двигателя.

Из определения , следует, что принципиально возможно форсировать ДВС тремя способами: увеличением номинальной частоты вращения или среднего эффективного давления , переходом с четырехтактного рабочего процесса на двухтактный.

Увеличение путем повышения номинальной частоты враще­ния широко применяется в двигателях с искровым зажигани­ем. В дизелях такое повышение затруднено из-за сравнительно боль­шой массы подвижных элементов кривошипно-шатунного меха­низма, больших механических нагрузок, трудностей с организа­цией процессов смесеобразования и сгорания при малом време­ни, отводимом на их реализацию. Кроме того, при повышении частоты вращения возрастают внутренние потери и ухудшается экономичность двигателя.

Номинальная частота вращения современных двигателей с ис­кровым зажиганием достигает 6500 мин^-1, дизелей грузовых автомо­билей — 2600 мин^-1, а дизелей легковых автомобилей — 5500 мин^-1. Это предопределяет большую литровую мощность двигателей с искровым зажиганием (в 2...3 раза по сравнению с дизелями без наддува).

Теоретически переход с четырехтактного рабочего цикла на двух­тактный должен повысить литровую мощность в два раза. Однако реально увеличивается в 1,5... 1,7 раза. Это связано с тем, что часть рабочего объема двигателя используется на организацию процессов газообмена (в нижней части цилиндра расположены окна для газообмена), снижается качество очистки и наполнения цилиндров, часть горючей смеси теряется в период их продувки, а также требуются дополнительные затраты энергии на привод продувочного насоса. Поэтому у двухтактных двигателей эконо­мические показатели хуже, чем у четырехтактных.

Кроме того, двухтактный двигатель имеет большую тепловую напряженность элементов, формирующих камеру сгорания, из-за того, что количество теплоты, подводимой в единицу времени, в нем в два раза больше, чем у четырехтактного.

Форсирование двигателей возможно по среднему эффективному давлению . Для этого необходимо увеличить цикловую подачу топлива и количество воздуха, подаваемого в цилиндр под давле­нием за счет повышения его плотности. Такой способ повышения называется наддувом.

Различают четыре основные типы наддува: динамический (резо­нансный), наддув от приводного компрессора, газотурбинный и комбинированный.

Наддув с механическим приводом компрессора от коленчатого вала (рис. 1.4, а) позволяет хорошо согласовать работу компрессора с тяговыми характеристиками двигателя. Он обычно используется для кратковременного повышения мощности ДВС за счет невысо­кой степени наддува. Однако применение такого наддува вызыва­ет существенное снижение экономичности двигателя, что обус­ловлено затратами энергии на привод компрессора.

Рис. 1.4. Схемы наддува двигателя: а — с приводным компрессором; б — с газотурбинным наддувом; 1 — компрес­сор; 2 — турбина

Газотурбинный наддув (рис. 1.4, б) получил наиболее широкое распространение в современных двигателях. Для привода центро­бежного компрессора 1 используется часть энергии отработавших газов, поступающих на лопатки газовой турбины 2. Агрегат, объ­единяющий газовую турбину и компрессор, называют турбоком­прессором.

При газотурбинном наддуве возможны два способа использо­вания энергии отработавших газов: при постоянном давлении пе­ред турбиной — отработавшие газы поступают в ресивер, а затем при постоянном давлении подаются на турбину; импульсный над­дув — отработавшие газы подаются непосредственно на турбину. В этом случае используется не только потенциальная, но и кине­тическая энергия газов.

Импульсный наддув наиболее эффективен при малых значениях дав­ления наддува ( <0,15 МПа), когда энергия импульса оказывается значительно больше среднего значения давления. При больших значе­ниях эффект от применения импульсного наддува уменьшается, а при >0,4 МПа— практически отсутствует.

При газотурбинном наддуве механическая связь агрегата над­дува с коленчатым валом двигателя отсутствует, поэтому могут существенно ухудшиться тяговые характеристики и приемистость двигателя из-за инерционности турбинного колеса. В связи со сни­жением энергии отработавших газов на малых нагрузках в начале разгона может не обеспечиваться подача в цилиндр требуемого количества свежего заряда.

Эти недостатки могут быть устранены путем использования комбинированного наддува — последователь­ной комбинации наддува с приводным компрессором и газотур­бинного наддува.

Динамический (резонансный) наддув предполагает использование колебательных явлений в системе впуска и выпуска, возникаю­щих в результате циклического повторения процессов газообмена в цилиндре. Принцип его заключается в создании зоны сжатия свежего заряда перед впускным клапаном до момента его закры­тия, что обеспечивает увеличение массы поступающего в цилиндр заряда. Кроме того, в выпускном трубопроводе во время перекры­тия клапанов за закрывающимся выпускным клапаном создается зона разрежения отработавших газов, что позволяет улучшить очи­стку цилиндра и полнее заполнить его свежим зарядом.

Конструктивно данная «настройка» системы осуществляется путем изменения длины и площади проходного сечения впускных и выпускных каналов. В ряде конструкций длина впускного трубо­провода изменяется в зависимости от режима работы двигателя.

Динамический наддув позволяет увеличить мощность двигате­ля на 5... 10 %.

Применение газотурбинного наддува обеспечивает увеличение мощности двигателя на 20...50%.

По мере повышения степени наддува увеличивается механи­ческая и тепловая напряженность элементов, формирующих ка­меры сгорания, что предъявляет повышенные требования к их конструкции и материалам, к эффективности системы охлажде­ния и качеству используемого масла. Для повышения степени над­дува и снижения высокой тепловой напряженности лопаток тур­бины в системе наддува организуют охлаждение наддувочного воздуха.

В двигателях с искровым зажиганием применение наддува тре­бует принятия специальных мер по предотвращению нарушения процесса сгорания, называемого детонацией: некоторого сниже­ния степени сжатия, интенсификации охлаждения деталей каме­ры сгорания.

Контрольные вопросы.

1. По каким параметрам классифицируются двигатели.

2. Опишите последовательность тактов и рабочих процессов четырехтактного бензинового двигателя.

3. Опишите последовательность тактов и рабочих процессов 4-ехтактного дизеля.

4. Что такое степень сжатия? Какие значения степеней сжатия у современных двигателей с искровым зажиганием и дизелей?

5. Что такое угол опережения впрыскивания топлива и для чего он необходим?

6. Что такое угол опережения зажигания и для чего он необходим?

7. Перечислите основные виды механических и тепловых потерь в двигателе.

8. Дайте определение КПД: индикаторного, механического и эффективного. Как эти КПД связаны между собой?

9. Для чего необходим параметр «коэффициент избытка воздуха»?

10. Каким параметром описывается состав смеси?