Технические науки/4. Транспорт

К.т.н. Надтока О.В., к. ф-м. н Аксёнова Н.А., к.т.н. Оробинский А.В.

Харьковская государственная академия железнодорожного транспорта, Украина

Анализ тенденций утилизации отработавших газов в двигателях внутреннего сгорания

Повышение экономичности, надежности и долговечности остается основной тенденцией в развитии машиностроения и, в частности, двигателестроения. Для современного двигателестроения немаловажной является проблема экологической чистоты, включая термическую чистоту, подразумевающую под собой степень выброса неиспользованной теплоты сгоревшего топлива в атмосферу. Одним из путей решения этих проблем может быть турбокомпаундирование двигателей, т.е. применение в схеме силовой установке двигателя силовой турбины.

Возможны следующие схемы установки силовой турбины в силовой установке (рисунок 1):

1. последовательное соединение за турбиной турбокомпрессора;

2. последовательное соединение перед турбиной турбокомпрессора;

3. турбина ТКР является одновременно и силовой турбиной;

4. параллельное соединение силовой турбины и турбины ТКР;

5. ДВС с предварением выпуска или с продувочным клапаном;

6. ДВС без наддува с силовой турбиной;

7. дифференциальный наддув;

8. газовый ДВС.

Для дизельного двигателя автотракторного типа целесообразна схема последовательной установки силовой турбины за турбиной свободного турбокомпрессора. В этом случае силовая газовая турбина соединяется с коленчатым валом двигателя, и создание мощности происходит не только в цилиндрах двигателя, но и в силовой турбине. При такой схеме установки в случае уменьшения расхода газа на частичных нагрузках повышенный перепад давлений срабатывается на турбине свободного турбокомпрессора, способствуя его быстрому разгону, ограничению цикловой подачи топлива, уменьшению удельного эффективного расхода топлива и дымности.

Исследования применения такой схемы на дизельном двигателе 6ЧН12/14 показали повышение топливной экономичности на режиме номинальной мощности на 8 г/кВт×ч, на режиме форсирования двигателя силовой турбиной до 200 кВт − на 10 г/кВт×ч, на режиме максимального крутящего момента − на 6 г/кВт×ч.

При сохранении мощности силовой установки (кВт) доля силовой турбины составляет 10% от общей мощности, что ведет к разгрузке поршневой части двигателя, и, следовательно, к уменьшению тепловой и механической напряженности деталей цилиндропоршневой группы.

Аналогичные результаты были получены при исследованиях применения силовой турбины на тракторном дизельном двигателе 8ЧВН 15/16 с имитаторами силовой турбины, проведенных в Волгоградском филиале ООО «Головное специализированное конструкторское бюро по гусеничным и колёсным машинам». При максимальной подаче топлива для частоты вращения эффект составил , при частоте вращения − при условии рационального подбора минимального проходного сечения турбины ТК. Снижение максимального давления сгорания в диапазоне противодавлений, при которых отмечен минимальный расход топлива 8…12%.

Эффект увеличения топливной экономичности зависит нагрузочного режима. При работе двигателя 6ЧН12/14 по нагрузочным характеристикам применение силовой турбины приводит к снижению расхода топлива при нагрузках не менее 50%.

При цикловой подаче топлива, составляющей 75% от максимальной, эффект от применения силовой турбины на двигателе 8ЧВН15/16 уменьшается и составляет при и при . При цикловой подаче топлива ниже 50% от максимальной, эффект минимален или отсутствует.

Для того чтобы увеличить диапазон экономичной работы двигателя при постоянной частоте вращения коленчатого вала необходимо использовать редуктор с переменным передаточным отношением.

В турбодизелях с охладителями наддувочного воздуха доля эффективной мощности, расходуемой на прокачку охлаждающего воздуха, составляет на номинальном режиме около 7% от номинальной мощности и более по сравнению с 3,5−5% у атмосферного дизеля. Это связано с высокими сопротивлениями воздушных сетей систем охлаждения турбодизелей с ОНВ. Также влияет увеличение аэродинамического сопротивления воздушных трактов вследствие роста плотности компоновки агрегатов силовой установки, использования шумоизоляционного ограждения двигателя и др.

С изменением нагрузки двигателя количество отводимой в систему охлаждения теплоты увеличивается примерно в таком же соотношении, как и количество теплоты, содержащейся в отработавших газах, которая может быть использована для привода турбины.

В настоящее время турбокомпаундные дизели с охлаждением наддувочного воздуха выпускаются швецкой фирмой «Scania» для магистральных тягачей. Разработку турбокомпаундных дизелей для грузовых автомобилей проводят фирмы «Cummins», «Caterpillar» (США) и др. Основным недостатком таких силовых установок являются высокие сложность и стоимость специальной гидромеханической передачи

В диссертационной работе Андреенкова А. А. «Оптимизация элементной базы и схемы турбовентилятора системы охлаждения турбопоршневого двигателя» рассматривается возможность использования мощности силовой турбины для привода вентилятора системы жидкостного охлаждения турбодизеля в одном узле - турбовентиляторе. В этом случае турбина имеет с двигателем только газовую связь, убирая необходимость в сложном и дорогом агрегате - гидромеханической передаче от турбины на вал двигателя.

В основном, турбокомпаундирование уже используется серийно, хотя только на двигателях тяжелых грузовиков.

Компанией Scania использует компаундирование с середины 1990-х годов. Схема с последовательной установкой силовой турбины, реализованная на шведском дизеле DTC 1101.

Основная трудность заключалась в согласовании частоты вращения силовой турбины, достигающей нескольких тысяч оборотов в минуту, с частотой вращения коленвала. Жестко соединить турбину с коленвалом через понижающий редуктор невозможно - слишком велики габариты редуктора. На двигателях DTC 1101 механическая связь между турбиной и зубчатыми колесами, соединенными с зубчатым венцом маховика, разорвана встроенной в кинематическую цепь гидромуфтой. Потери мощности в гидромуфте окупаются компактными размерами этого узла и его демпфирующей способностью.

Использование турбокомпаундирования в дизеле DTC 110 обеспечило увеличение мощности на 22 кВт при одновременном снижении расхода топлива на 5% по сравнению с двигателем с турбонаддувом.

На двигателе Volvo D12D-500 Turbocompound турбокомпрессор и силовая турбина представляли собой не отдельные последовательно размещенные узлы, а силовая турбина входит в состав турбокомпрессора в качестве дополнительной секции, обеспечивая меньшие габариты и вес.

Еще одна разновидность силовой турбины − это Turbo-generator Integrated Gas Energy Recovery System (TIGERS, турбина, работающая от выхлопных газов и приводящая в действие генератор электроэнергии). Это устройство (рисунок 2) разработала британская компания Foresight Vehicle. Система TIGERS способна обеспечить энергией все электрические системы автомобиля: зажигание, светотехнику, аудиосистему, кондиционер. Более того, вырабатываемая им мощность избыточна, и на машинах с гибридными силовыми установками может использоваться еще и для подзарядки бортовых тяговых аккумуляторов. А традиционный генератор, на привод которого отбирается мощность у двигателя и расходуется дополнительное топливо, становится ненужным. Экономия топлива может составить 5-10%.

Литература:

1. Елизева Е.В. Повышение топливной экономичности быстроходного двигателя за счет утилизации энергии отработавших газов в силовой турбине: Дисс. …канд. техн. наук. − Харьков, 1993.

2. Дивинский Е.А. Повышение эффективности тракторного дизеля путём использования силовой газовой турбины: Автореферат дисс. … канд. Техн. наук. – Волгоград, 2010.

3. Андреенков А. А. Оптимизация элементной базы и схемы турбовентилятора системы охлаждения турбопоршневого двигателя: Автореферат дисс. … канд. Техн. наук. – Москва, 2009.

4. Professional Motorsport World – November 6.2007 – Köln