Запорожский государственный технический университет
МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ
к расчетно-графическому заданию №1 на тему
“Расчет термодинамического цикла КДВС”
по дисциплине “Основы теории и динамики автомобильных двигателей ”
для студентов специальности “Колесные и гусеничные транспортные средства” всех форм обучения
Утверждено
На заседании кафедры
“Теплотехника и гидравлика”
Протокол №5 от 12.01.2000
Запорожье, 2000
Методические указания к расчетно-графическому заданию №1 на тему “Расчет термодинамического цикла КДВС” по дисциплине “Основы теории и динамики автомобильных двигателей” для студентов специальности “Колесные и гусеничные транспортные средства” всех форм обучения /Сост.: Я.А. Егоров. - Запорожье: ЗГТУ, 2000. - 26 с.
Составитель: Я.А. Егоров, профессор, д.т.н.
Рецензент: А.С. Слюсаров, доцент, к.т.н.
Ответственный за выпуск: Я.А. Егоров
Аннотация
В соответствии с учебным планом студенты, обучающиеся по специальности “Колесные и гусеничные транспортные средства”, изучают дисциплину “Основы теории и динамики автомобильных двигателей”. Учебным планом предусмотрены лекции (36 часов), лабораторные работы (14 часов), курсовая работа и расчетно-графические задания (РГЗ).
Настоящее пособие для выполнения расчетно-графического задания №1 (РГЗ №1) имеет целью познакомить студентов с основными схемами комбинированных двигателей внутреннего сгорания (КДВС), их элементами, параметрами и показателями термодинамического цикла КДВС, поскольку в настоящее время КДВС на автомобилях и тракторах применяются весьма широко, а общая тенденция развития авто-тракторного двигателестроения состоит в непрерывном расширении сферы применения КДВС.
Введение
Комбинированный двигатель внутреннего сгорания (КДВС) включает в себя несколько разных машин и аппаратов в одном агрегате. Обязательным элементом КВДС является поршневой двигатель внутреннего сгорания (ДВС). Кроме этого он содержит как компрессионые машины (компрессоры или нагнетатели), так и расширительные машины (турбины). К числу аппаратов в составе КДВС относятся теплообменники (охладители) и форсажные камеры (дополнительные камеры сгорания).
Из сказанного ясно, что КДВС представляет собой более сложную машину, чем обычный ДВС. Кроме того его габариты и масса больше, чем у обычного ДВС, однако увеличение этих параметров в сравнении с обычным ДВС, происходит незначительно.
Основными целями, которые достигаются с помощью КДВС, являются:
- увеличение агрегатной (а также удельной) мощности двигателя; оно может достигнуть 2х - 3х - кратной величины;
- улучшение экономических показателей двигателя (увеличение эффективного к.п.д. и снижение эффективного удельного расхода топлива); указанное улучшение может составлять 10 - 15 %.
- в ряде случаев можно получить улучшение экологических показателей двигателя.
Применение КДВС является магистральным направлением в развитии двигателестроения на современном этапе. Все крупные двигатели большой мощности (Ne > 100 кВт) практически выполняются комбинированными. Таковыми являются судовые двигатели (и многие вспомогательные), тепловозные, стационарные энергетические, танковые и т.д. Все эти двигатели выполняются в дизельном варианте.
В области автотракторной техники применяют в основном двигатели средней мощности (Ne > 5 - 500 кВт). Иногда эти двигатели имеют и большую мощность (например, для самосвалов большой грузоподъемности). Кроме того автотракторные двигатели бывают дизельными и бензиновыми (карбюраторными или с впрыском бензина).
Использование комбинированных схем на базе бензиновых двигателей встречает большие затруднения в сравнении с дизельными, что обусловлено следующими причинами:
- бензиновые двигатели применяют в основном на легковых автомобилях, они имеют относительно небольшую мощность (обычно Ne < 100 кВт) и потребляют небольшое количество воздуха (Gb < 1 кг/c); при таких расходах воздуха проточная часть лопаточных машин (компрессоров и турбин) имеет малые поперечные размеры; поэтому к.п.д. таких машин невысок, что существенно снижает эффективность применения КДВС;
- при одинаковых мощностях расход воздуха в бензиновом ДВС меньше, чем в дизельном, за счет меньших значений коэффициента избытка воздуха. Следовательно возникают те же проблемы, которые изложены в предыдущем пункте,
- температура выпускных газов в бензиновом ДВС значительно больше, чем в дизельном. Это вызывает необходимость применения дорогостоящих высоколегированных сталей для изготовления рабочих колес (или деталей проточной части) турбин, что приводит к повышению себестоимости производства КДВС;
- использование наддува приводит к повышению температуры рабочего тела во всех точках цикла, в том числе в конце сжатия и в процессе сгорания. Сказанное отрицательно отражается на антидетонационных свойствах двигателя и заставляет искать способы снижения опасности появления детонации.
Среди современных бензиновых автотракторных ДВС, запускаемыми в производство иностранными фирмами промышленно развитых стран, примерно 25 % выполняются в виде КВДС, среди дизельных двигателей - 70 %.
Наиболее распространенным и типичным вариантом КВДС является двигатель с газотурбинным наддувом (ГТН) или со свободным турбокомпрессором (с ТК).
Структурные схемы КВДС
Выше отмечено, что чаще всего применяют КВДС, представляющий собой двигатель с газотурбинным наддувом. Структурная схема такого двигателя приведена на рис.1.
Линиями и стрелками на рис.1. показано движение рабочего тела в проточной части КВДС. Воздух входит в компрессор при параметрах окружающей среды в атмосферном воздухе (Ро;То). В компрессоре происходит сжатие воздуха, в результате повышаются давле-
Рис.1. Структурная схема Рис.2. Схема КДВС с ГТН и
КДВС с ГТН: охладителем
D – двигатель внутрен- D – ДВС,
него сгорания, К – компрессор,
К – компрессор, Т – турбина,
Т – турбина. Ох – охладитель.
Рис.3. Принципиальная схема поршневого компрессора:
1 - поршень, 2 - цилиндр, 3 - головка, 4 - система нагнетания,
5 - система всасывания.
ние Рх > Ро и температура Тк > То. На выходе из двигателя имеется повышенное давление Рт > 0 и высокая температура (Тт >> То). Это обстоятельство обуславливает тот факт, что выпускные газы обладают большим запасом энергии, которая используется в турбине. В турбине происходит расширении и преобразование теплоты в механическую работу, которая передается компрессору.
Рабочие колеса компрессора и турбины расположены на одном валу и образуют ротор турбокомпрессора. Этот ротор механически не связан с валом двигателя, что существенно упрощает конструкцию КДВС. Связь между КДВС и ТК осуществляется только через газовоздушные потоки. Поэтому такой КДВС еще называют двигателем с газовой связью.
Преимущества и достоинства КДВС в сравнении с обычным ДВС объясняются с помощью известных формул для эффективной мощности и среднего эффективного давления:
; 
(1).
Сильным средством воздействия на мощностные показатели двигателя является множитель 
, представляющий собой плотность воздуха (или свежей смеси) на входе в двигатель. За счет работы компрессора 
, и вследствие этого среднее эффективное давление Ре в КДВС больше, чем в ДВС; пропорционально увеличивается и средняя мощность.
Законы термодинамики показывают, что при сжатии воздуха в компрессоре одновременно с ростом давления (Рк >Ро) возрастает и температура (Тк > То). Общий результат влияния наддува положительный (rк > rо), но если рассмотреть отдельно влияние температуры, то оно дает нежелательный эффект. Из формул (1) видно, что чем больше Тк (при прочих равных условиях), тем меньше Ре и Ne. Чтобы снизить это отрицательное влияние в системах КДВС используют охлаждение наддувочного воздуха в специальных аппаратах - охладителях. Схема КДВС с газотурбинным наддувом и охлаждением наддувочного воз-
духа показана на рис.2. Применение таких схем дает еще лучше результат, чем при схеме на рис.1. Физической причиной увеличения
мощности двигателей с наддувом является увеличение количества свежего заряда в цилиндре за счет: 1) принудительной подачи заряда компрессором; 2) охлаждения заряда в охладителе. Однако машина в этом случае усложняется, удорожается. Растут при этом, хотя и незначительно, габариты и масса КДВС.
Охлаждение наддувочного воздуха практически применяют на дизельных КДВС при 
, так как в этом случае эффективно действует охлаждение. Чтобы получить хороший охладительный эффект при Пк < 2, требуются охладители больших габаритов, что в системе КДВС нерационально.
Граница целесообразности применения охлаждения в бензиновых двигателях находится ниже (
), что диктуется жесткими требованиями в отношении к детонации. Появление детонации должно быть исключено, поэтому применение наддува приводит к необходимости установки охладителя наддувочного воздуха.
Краткие сведения об основных элементах КДВС
Компрессор
Компрессор является одним из основных элементов в системах КДВС.
Компрессор это энергетическая машина, которая служит для сжатия газообразной среды, такой средой в КДВС является воздух (или горючая смесь). Для работы компрессора необходим посторонний источник энергии. Энергетически компрессор преобразует получаемую извне энергию во внутреннюю энергию газа. Компрессоры могут применяться приводные, в которых энергия от вала двигателя передается через передачу к валу компрессора. Передача (обычно механическая) необходима в данном случае для согласования скоростных режимов двигателя и компрессора. Другая схема предполагает применение свободного турбокомпрессора, в котором рабочие колеса турбины и компрессора находится на одном валу, но вал турбоком
прессора не связан с валом двигателя. В этом случае компрессор потребляет энергию, которую вырабатывает турбина.
По принципу действия компрессоры подразделяются на объемные и лопаточные. Объемные компрессоры работают циклично, они содержат камеру переменного объема, в которой движется рабочий орган. Объем камеры сначала увеличивается и происходит заполнение ее газом (воздухом), затем объем уменьшается, газ сжимается и по достижению определенного давления Рк вытесняется в систему нагнетания. Типичным представителем объемного компрессора является поршневой компрессор (схема 3).
Существуют объемные компрессоры иного устройства (роторно-лопастные, роторно-пластинчатые, винтовые и т.п.), они отличаются формами камер и вытеснителей, принцип их действия остается неизменным.
Основные достоинства объемных компрессоров:
1) они способны создавать высокие давления в одноступенчатой конструкции;
2) высокий к.п.д.;
3) их характеристики хорошо согласуются с требованиями ДВС на переменных режимах.
Недостатки объемных компрессоров:
1) громоздкость конструкции и большая масса;
2) трудно с их помощью обеспечить большие расходы воздуха.
Тем не менее компрессоры (или нагнетатели) объемного типа применяют для подачи продувочного воздуха двухтактных ДВС, в качестве второй ступени наддува в КДВС сложных схем.
Основными типами компрессоров в системах КДВС являются лопаточные компрессоры (центробежные, осевые, диагональные). В автотракторной технике главным образом применяют центробежные компрессоры. Отличительной особенностью лопаточных компрессоров является непрерывная подача воздуха, поэтому такие компрессоры приспособлены для больших расходов подаваемой среды, кроме того центробежный компрессор способен увеличивать давление в 3 с лишним раза в одной ступени (до 
).
Схематично центробежный компрессор работает следующим образом. Рабочие колесо, снабженное криволинейными лопатками,
вращается с большой угловой скоростью (w = 1500 1/сек и выше); воздух из системы всасывания при низком давлении Ро поступает в кана-
лы колеса, за счет действия центробежных сил на выходе из колеса (в окружном сечении с внешним диаметром D2) создается повышенное давление (Р2 > P1). Кроме того на выходе из колеса скорость потока значительно больше скорости потока на входе (С2 >С1), что означает увеличение кинетической энергии рабочего тела в колесе (
). Для преобразования кинетической энергии рабочего тела в потенциальную служит диффузор, куда поступает оно из колеса. В результате в диффузоре давление возрастает (Р3 > Р2), а скорость уменьшается (С3 < С2). В конечном итоге рабочее тело направляется в улиткообразный корпус и далее в охладитель (если таковой имеется) и во впускной коллектор двигателя.
Конструктивно диффузор представляет собой кольцевой канал (цилиндрический или конический), в котором происходит торможение потока газа. Применяют диффузоры безлопаточные и лопаточные. Безлопаточные диффузоры проще по конструкции, однако движение газа в них менее организовано, поэтому они имеют невысокий к.п.д. Лопаточные диффузоры снабжаются неподвижными лопатками, число которых обычно от 12 и более и которые способствуют лучшей организации потока; поэтому компрессоры с лопаточными диффузорами обеспечивают более высокий к.п.д. В этом случае предъявляются высокие требования к профилю лопаток (рациональное профилирование, точность изготовления, чистота поверхности). Последние существенно удорожают конструкцию. Другим значительным недостатком лопаточного диффузора является то, что он эффективен только на расчетном (номинальном) режиме. При отклонении режима от расчетного эффективность лопаточного диффузора быстро снижается.
На практике применяют и лопаточные, и безлопаточные диффузоры. Общие рекомендации по рациональному применению тех и других кратко сводятся к следующему:
- если двигатель большую часть времени эксплуатируется на номинальном режиме, то целесообразно применить лопаточный диффузор (междугородний автобус, трактор для пахотных работ);
- если двигатель большую часть времени эксплуатируется на неноминальном режиме, то рекомендуется применить безлопаточный
диффузор (городской автобус, трактор для различных сельскохозяйственных работ).
Основные достоинства центробежных компрессоров:
1) компактность, малая масса,
2) высокая степень повышения давления в одной ступени,
3) хорошая совместимость с турбиной (в составе турбокомпрессора).
Недостатки центробежных компрессоров:
1) плохая совместимость с поршневым ДВС на нерасчетных режимах,
2) низкий адиабатный к.п.д. (hкад = 0,65 - 0,75),
3) трудности обеспечения высокой эффективности при малых мощностях КДВС.
Газовая турбина
Турбина это лопаточная расширительная машина для преобразования внутренней энергии газа в механическую энергию на валу. В турбину поступает отработанный газ от поршневого ДВС, вследствие высокой температуры (Тт = 900 - 1000 К) этот газ обладает значительным запасом энергии. Использование энергии выпускного газа в турбине позволяет повысить общий к.п.д. КДВС. В этом и состоит основное назначение турбины в составе КДВС.
По устройству газовые турбины делятся на осевые, радиальные, радиально-осевые (это деление и эти названия связаны с основным направлением движения газа в каналах рабочего колеса).
Принципиальная схема осевой турбины показана на рис.4.
Сопловой аппарат представляет собой систему неподвижных криволинейных лопаток. В каналах между лопатками движется газ, здесь он расширяется и приобретает нужную скорость по величине и направлению. В каналах рабочего колеса происходит дальнейшее расширение газа, поток газа изменяет свое направление, за счет этого он создает механическое воздействие на лопатки, и таким образом возникает крутящий момент на валу турбины. Турбины осевого типа применяют при больших мощностях (в стационарной энергетике, в авиации, на крупных судах морского плавания).
В системах КДВС автотракторного типа используют радиально-осевые турбины, которые при относительно малых мощностях и расходах газа более эффективны. Схема радиально-осевой турбины пока-
|
Рис. 4. Принципиальная схема Рис. 5. Схема радиально-
осевой турбины: осевой турбины:
1– сопловой аппарат, 1 – сопловой аппарат,
2 – рабочие лопатки, 2 – рабочие лопатки,
3 – диск рабочего колеса, 3 – рабочее колесо,
4 – рабочий вал. 4 – рабочий вал.
Рис. 6. Термодинамический цикл КДВС.
зана на рис.5. В такой турбине газ входит в каналы рабочего колеса по радиусу, а выходит по оси вала (отсюда и название). Турбины, уста-
навливаемые на КДВС, работают в тяжелых температурных условиях, элементы проточной части омываются газами с высокой температурой. Особенно это относится к бензиновым ДВС, у которых температура выпускных газов особенно высока вследствие малых коэффициентов избытка воздуха. Сказанное заставляет в ряде случаев применять для изготовления рабочих колес турбин жаропрочные высоколегированные стали, что удорожает конструкцию.
Центробежный компрессор и радиально-осевая турбина по своим характеристикам хорошо сочетаются друг с другом. Поэтому их рабочие колеса размещают на одном валу без промежуточных передач. Турбокомпрессор, включающий в себя турбину и компрессор, это обычно отдельный агрегат, который не имеет механической связи с двигателем. Связи осуществляются только через воздушные и газовые потоки. Сам турбокомпрессор конструктивно может быть расположен в разных местах, исходя из компоновочных соображений (на торце, сбоку, в развале блоков при V-образной конструкции).
Охладитель
Охладители устанавливают во впускном тракте между компрессором и поршневым двигателем. С их помощью снижают температуру воздуха (или свежей смеси), поступающего в цилиндры.
Принципиально охладители представляют собой теплообменные аппараты рекуперативного типа, в которых теплота от горячего агента (наддувочного воздуха) через разделяющие стенки передается к холодному агенту. Холодным агентом могут быть разные среды, но в автотракторной технике им является атмосферный воздух.
Конструктивно охладители выполняют трубчатыми, пластинчатыми и трубчато-пластинчатыми. Для повышения эффективности охладителей теплопередающие элементы желательно изготавливать из материалов с высокой теплопроводностью (медные и алюминиевые сплавы). Охладители конструируют так, чтобы потеря давления в них была минимальна (теоретически Р » const). С этой целью необходимо обеспечить большие размеры проточной части в охладителе и соответственно малые скорости течения воздуха.
Тепловые качества охладителя характеризуют коэффициентом тепловой эффективности, который равен отношению действительной
разницы температур воздуха на входе и выходе к теоретической (максимально возможной) разнице температур:
,
где Тк¢ - температура наддувочного воздуха на входе в охладитель,
Тк - температура наддувочного воздуха на выходе из охладителя,
То - температура окружающей среды.
С тепловой точки зрения целесообразно величину s максимально увеличивать (s ® 0), однако при этом возрастают размеры охладителя, что затрудняет его компоновку в составе КДВС.
В конечном итоге необходимо удовлетворить и компоновочным и тепловым требованиям. На основе практических соображений рекомендуемым диапазоном величины коэффициента тепловой эффективности является s = 0,5 … 0,6.