Цикл двигателя с охлаждением наддувочного воздуха

Охлаждение наддувочного воздуха позволяет дополнительно повысить плотность воздуха и за счет этого – массовое наполнение цилиндра. Цикл с промежуточным охлаждением воздуха (рис. 2.9) отличается от цикла без охлаждения наличием изобарного процесса отдачи тепла охладителю q _охл.

Рис. 2.9. Цикл двигателя с охлаждением наддувочного воздуха

Цикл двигателя с охлаждением наддувочного воздуха позволяет получить большую работу на величину заштрихованной области.

Таким образом, охлаждение воздуха позволяет повысить мощность двигателя за счет возможности подвести большее количество тепла на величину . КПД цикла с охлаждением ниже, чем без охлаждения, что объясняется тем, что КПД заштрихованной части меньше из-за меньшего отношения температур в начале и конце адиабаты.

Рассмотренные закономерности иллюстрируются данными в табл. 2.1. В ней приведены параметры одного и того же двигателя без наддува и с наддувом.

Таблица 2.1

Параметры модификаций V-образного 12-цилиндровго дизельного двигателя рабочим объемом 38,9 л

Модель двигателя	В59У	В-46-6МС	В-92С2
ge, г/кВт×ч	231	245	212
Ne, кВт	384	574	735
Наличие наддува	без наддува	приводной нагнетатель	газотурбинный
Применение	Самоходка	Танк Т72	Танк Т90

Контрольные вопросы

1. У какого цикла КПД выше: двигателя без наддува или двигателя с приводным нагнетателем при одинаковой общей степени сжатия и почему?

2. У какого цикла КПД выше и почему: двигателя с импульсной турбиной или двигателя с изобарной турбиной?

3. Почему экономичность двигателя с газотурбинным наддувом выше, чем двигателя без наддува при одинаковой общей степени сжатия?

4. Почему КПД цикла двигателя с охлаждением наддувочного воздуха ниже, чем двигателя без охлаждения воздуха?

5. Какой ДВС называется турбокомпаундным?

НАГНЕТАТЕЛИ

Основной машиной для создания наддува ДВС является компрессор (или нагнетатель). Компрессор – это машина, которая обеспечивает подачу в двигатель определенного количества воздуха, причем повышенного давления, необходимого для наддува двигателя.

Известны три основных типа нагнетателей, существенно отличающихся друг от друга как по конструкции, так и по характеристикам воздухоснабжения, которые они обеспечивают. Это следующие типы компрессоров:

– объемные нагнетатели (компрессоры);

– лопаточные компрессоры (центробежные и осевые);

– волновые обменники давления.

Объемные нагнетатели

Объемным нагнетателем называют компрессор, в котором рабочий процесс осуществляется в результате циклического изменения объемов рабочих камер. При этом рабочие камеры периодически изолируются от внешней среды и нагнетательного трубопровода. Существует большое разнообразие типов объемных нагнетателей. Рассмотрим несколько типов компрессоров.

Поршневой компрессор

Поршневой компрессор широко известен в различных отраслях производства как машина, создающая высокое давление воздуха. Компрессоры такого назначения могут создавать чрезвычайно высокие давления, для чего их делают многоступенчатыми. Они могут обеспечивать большие расходы подаваемого газа при сравнительно низких перепадах давления, для чего их выполняют с большими рабочими объемами.

На рис. 3.1 показана принципиальная схема поршневого компрессора.

Рис. 3.1. Схема поршневого компрессора

В корпусе компрессора размещается поршень, имеющий связь с механизмом преобразования вращательного движения в возвратно-поступательное. Привод поршневого компрессора чаще всего осуществляется от коленчатого вала двигателя. В головке компрессора размещены впускной и выпускной клапаны. Обычно они являются автоматическими, то есть открываются и закрываются благодаря перепаду давления на них, но могут и иметь привод, аналогичный приводу клапанов в ДВС. Работает компрессор следующим образом.

Когда поршень идет вниз, в его камере давление понижается ниже атмосферного, и в результате перепада давления открывается впускной клапан, через который воздух всасывается в камеру. Затем, когда поршень проходит нижнюю мертвую точку, соответствующую наибольшему объему камеры, давление воздуха начинает возрастать и впускной клапан закрывается. По мере сокращения объема камеры сжатия давление воздуха увеличивается. Когда давление в камере достигает заданных параметров, открывается выпускной клапан, и сжатый воздух подается потребителю, например, двигателю. Таким образом, на каждые два такта работы компрессора или один поворот его вала происходит всасывание воздуха и его нагнетание.

На рис. 3.2 приведена p - V -диаграмма поршневого компрессора при разных давлениях (р ₂₁ и р ₂₂) на выходе.

Рис. 3.2. Идеальная p - V -диаграмма поршневого компрессора:

р ₁ – давление воздуха на входе в компрессор; р ₂₁ и р ₂₂ – давления на выходе из компрессора; V _в – вредный объем; V _н1 и V _н2 – объемы наполнения; V _h – рабочий объем компрессора

На диаграмме видно влияние вредного объема V _в и давления на выходе р ₂ на объем наполнения V _н компрессора. Вследствие расширения заключенного во вредном пространстве воздуха в период наполнения цилиндра объем наполнения и расход воздуха уменьшаются тем сильнее, чем больше вредное пространство и чем выше давление на выходе р ₂. Зависимость давления воздуха на выходе из компрессора от объемного расхода воздуха при постоянных частотах вращения вала показана на рис. 3.3.

Рис. 3.3. Зависимость давления на выходе из компрессора от объемного расхода воздуха

Одним из важных параметров нагнетателя является степень повышения давления, которая представляет собой отношение давления воздуха на выходе из нагнетателя к давлению на входе в него. Кроме того, для любого компрессора необходимо знать характеристику, которая определяется как зависимость изменения степени повышения давления и КПД при изменении расхода воздуха и частоты вращения вала.

На рис. 3.4 показана универсальная характеристика поршневого компрессора.

Рис. 3.4. Универсальная характеристика поршневого компрессора

Анализ характеристики показывает, что достаточно высокий КПД у такого компрессора достигается лишь при высокой степени повышения давления и при сравнительно низких частотах вращения вала.

Достоинства поршневого компрессора заключаются в следующем.

1. Высокий КПД.

2. Высокая степень повышения давления (10 и более).

3. Высокая надежность.

Однако недостатки поршневого компрессора ограничивают его применение. К недостаткам можно отнести следующее.

1. Характеристика компрессора не очень хорошо согласуется с потребными характеристиками дизеля в широком диапазоне изменения режимов работы.

2. Сложность и громоздкость конструкции.

3. Неуравновешенность.

4. Загрязнение подаваемого воздуха маслом.

5. Пульсации давления.

6. Существенный нагрев компрессора, что снижает его производительность.

Поршневые компрессоры часто используются для наддува крупных судовых двухтактных дизелей, так как их КПД высок на низких частотах вращения вала двигателя.