Методи поліпшення перехідних процесів

З аналізу раніше розглянутих перехідних процесів виходить, що їх значна тривалість в експлуатації і низька економічність протікання обумовлюють погіршення техніко-економічних показників, зокрема середньоексплуатаційного ККД силової установки. Крім того, перехідні процеси знижують довговічність і надійність дизеля із-за прискореного закоксування випускного тракту і проточної частини турбіни в результаті неповного згорання палива, підвищених амплітуд температурних коливань деталей циліндропоршневої групи. Тому необхідне проведення робіт по вдосконаленню і зниженню тривалості перехідних процесів.

Вирішення даної проблеми можливе по наступних напрямах:

1. Вдосконалення системи автоматичного регулювання (САР) з метою оптимізації залежності .

Даний напрям має певні труднощі реалізації, які полягають в тому, що, з одного боку, для збереження високих динамічних показників транспортних дизелів і досягнення мінімального часу перехідного процесу необхідно забезпечити швидке збільшення циклової подачі палива в період перехідного процесу шляхом збільшення швидкодії регулятора. З іншого боку, для якнайкращого протікання робочого процесу необхідно забезпечити повільне підвищення циклової подачі палива відповідно до зростання тиску наддуву. Це досягається на основі застосування коректорів циклової подачі палива по тиску наддувочного повітря, що дозволяють забезпечити циклову подачу палива в строгій відповідності з продуктивністю турбокомпресора. Таким коректором обладнаний об’єднаний регулятор частоти обертання і потужності дизель-генератора 5Д49, а також силові установки фірми «Woodward» (США).

Слід зазначити, що уповільнення зростання циклової подачі палива унаслідок низького тиску наддувочного повітря приводить до збільшення тривалості перехідного процесу, оскільки швидке зростання частоти обертання можливе тільки при швидкому підвищенні тепловмісту газів перед турбіною за рахунок зростання їх температури () і тиск () перед турбіною.

Збільшення величини в перехідному процесі, особливо при ізобарній системі наддуву, відбувається поволі, оскільки залежить від тиску і витрати наддувочного повітря, а для їх підвищення потрібне, у свою чергу, збільшення частоти обертання ротора турбокомпресора . При перехідних процесах турбіна і компресор працюють на нерозрахункових режимах, а отже, з низьким ККД, що сприяє уповільненню зростання тиску . Низький коефіцієнт надлишку повітря , що реалізовується при цьому, сприяє істотному підвищенню температури газів перед турбіною і тиску, в результаті знижується відношення, погіршується робочий процес за рахунок погіршення вихрового руху в циліндрі. Радикального поліпшення якості перехідних процесів тільки за рахунок зв’язку паливоподачі з тиском наддуву без заходів щодо поліпшення повітрязабезпечення досягти неможливо.

2. Вдосконалення системи повітрязабезпечення дизеля.

У двигунів з газотурбінним наддувом головною причиною погіршення процесу повітрязабезпечення при перехідних процесах є інерційність ротора турбокомпресора (сповільнений в порівнянні з двигуном розгін турбокомпресора), унаслідок чого має місце різке розузгодження циклової подачі палива і повітря, робота турбокомпресора на неекономічних режимах, погіршення індикаторних показників, процесу горіння за рахунок малих значень .

Ефективність роботи системи повітрязабезпечення можна підвищити наступними методами:

а) зменшенням моменту інерції ротора турбокомпресора за рахунок його полегшення, що дозволить скоротити в значній мірі час перехідного процесу і в більшій мірі понизити ступінь розузгодження роботи систем паливо- і повітрязабезпечення;

б) застосуванням імпульсної системи наддуву.

Найбільший ефект досягається при компоновці, що забезпечує використання коротких випускних трубопроводів. З аналізу характеристик, представлених на рис. 6.20, витікає, що при імпульсному наддуві істотно скорочується тривалість перехідного процесу унаслідок підвищення енергії імпульсу випускних газів, що розташовується, перед турбіною, що дозволяє отримати найбільший момент, що крутить, при відповідній частоті обертання . Це сприяє інтенсивнішому розкручуванню ротора турбокомпресора (швидкість розкручування підвищується в 1,5…2 разу в порівнянні з ізобарним наддувом), а отже, підвищенню тиску наддуву, циклової подачі палива і коефіцієнта надлишку повітря, поліпшенню індикаторних показників дизеля. Проте застосування імпульсного наддуву доцільне при 0,20 МПа;

в) регулюванням і вибором раціональної площі перетину соплового апарату турбокомпресора (ТК).

Задаючим параметром системи регулювання турбокомпресора є навантаження дизеля (точніше переміщення рейки ПНВТ). Регулювання соплових апаратів турбокомпресора здійснюється з одночасним автоматичним коректуванням циклової подачі палива. Площа прохідного перетину соплового апарату турбіни може змінюватися в межах 40%.

Соплове регулювання застосовується в цілях прискорення розгону турбокомпресора. Зменшення площі прохідного перетину соплового апарату турбіни приводить до збільшення тиску газів перед турбіною, сприяє підвищенню потужності на валу ТК і інтенсивнішому розгону ТК. Наслідком цього є повніше забезпечення дизеля потрібною при новому режимі кількістю повітря. У міру завершення перехідного процесу площа прохідного перетину соплового апарату збільшується до потрібної на кінцевому режимі.

Таким чином, регулювання ТК підвищує приємистість дизеля, покращує повітрязабезпечення, знижує димність випускних газів, зменшує на 25...30% тривалість розгону ТК (стосовно дизеля 6ЧН15/18 з ТКР-14Р-А);

г) підведенням додаткової енергії до ротора турбокомпресора за рахунок:

- забезпечення приводу ротора турбокомпресора від колінчастого валу за допомогою різних обгінних муфт; пневмо- і електродвигунів і т.д.;

- короткочасної подачі додаткового повітря в початковій стадії перехідного процесу на вхід компресора (або безпосередньо в циліндри дизеля). Для отримання заздалегідь стислого повітря встановлюють компресор, повітряний акумулятор або ежектуючі пристрої. Застосування, наприклад, додаткового компресора дозволяє зменшити на 20…30% час розгону комбінованого дизеля, понизити димність випускних газів і питомої витрати палива на несталих режимах. Проте в цьому випадку на 4…5% зростають додаткові витрати потужності, споживаної на власні потреби силової установки, погіршуються масогабаритні показники енергетичної установки, з’являються труднощі з розміщенням устаткування.

Подача стислого повітря безпосередньо в циліндр дизеля приводить до підвищення, а в початковий період розгону, поліпшенню робочого процесу і прискоренню розгону турбокомпресора, поліпшенню сумішеутворення і процесу горіння, зниженню димності випуску. Так, наприклад, простий пристрій з соплами, встановленими біля продувочних вікон дизеля 10Д100, дозволив істотно збільшити інтенсивність вихра за рахунок подачі невеликої додаткової кількості повітря в циліндри в період перехідного процесу (близько 5% від загальної витрати повітря).

В результаті час перехідного процесу знизився на 30…35%, а економічність дизеля підвищилася в середньому на 15%;

- додаткової подачі газу в турбіну від стороннього джерела (газогенераторами, акумуляторами відпрацьованих газів, і ін.). Спосіб достатньо ефективний, проте відрізняється складністю регулювання при частих повтореннях перехідних процесів в експлуатації;

- уприскування води у впускний колектор і підкручення ротора ТК шляхом подачі пари, що утворилася, в проточну частину турбіни. Є ефективним способом повідомлення додаткової енергії ТК. Для уприскування води у впускний колектор встановлюються спеціальні форсунки. Час розкручування в цьому випадку скорочується приблизно в 2 рази. Одночасно до 80% знижується вміст сажі у відпрацьованих газах;

- додаткової подачі палива в циліндр двигуна на лінії розширення продуктів згорання – забезпечує попередній розгін турбокомпресора до початку перехідного процесу.

Момент подачі палива вибирається з урахуванням допустимого короткочасного зниження економічності дизеля і підвищення димності. Дана система дозволяє зменшити на 35…40% тривалість перехідного процесу і на 25…30% поліпшити паливну економічність процесу в порівнянні зі «штатним» розгоном.

3. Вдосконалення робочого процесу дизеля за рахунок вибору найбільш раціональної форми камери згорання, поліпшення якості паливоподачі і процесу сумішеутворення.

а) форма камери згорання. Поліпшення якості перехідних процесів можна добитися (за інших рівних умов) завдяки вибору оптимальної форми камери згорання, що забезпечує можливість повнішого використання повітряного заряду циліндра за рахунок поліпшення розподілу палива в об’ємі камери згорання. Певний ефект дасть створення двигуна з форсажною камерою згорання для подачі в необхідний момент додаткової порції газів на турбіну турбокомпресора (системи типу «Гіпербар»).

б) правильний вибір оптимальних параметрів паливної апаратури і кута випередження подачі палива, особливо в першій половині перехідного процесу, що робить значний вплив на характер і тривалість перехідних процесів.

в) застосування автоматичної системи управління початковим тиском палива в нагнітальному трубопроводі при оптимальних кутах випередження подачі палива і положенням упору рейки ПНВТ по тиску наддуву. Підтримка оптимального залишкового тиску палива в нагнітальному трубопроводі дозволяє інтенсифікувати подачу палива на початку уприскування у зв’язку з меншою втратою частини ходу плунжера на підтискання палива в трубопроводі високого тиску, а отже, запобігти підвприску, підтікання палива, зміна фаз його подачі. Експериментами, проведеними в МВТУ, встановлено, що застосуванням приведеної системи регулювання підвищується якість сумішеутворення і економічність дизеля на 3…5%, знижується на 40...60% тривалості перехідних процесів і на 25...30% – токсичність (по ) випускних газів.