О
ВОПРОСЕ ГЛУБОКОГО ОХЛАЖДЕНИЯ НАДДУВОЧНОГО ВОЗДУХА
Шабалин Денис Викторович
кандидат технических наук, докторант
Военного
учебно-научного центра Сухопутных войск, г. Москва
Козлов Андрей Александрович
помощник начальника учебно-методического
отдела,
Омского автобронетанкового инженерного
института, г. Омск
ON THE DEEP CHARGE AIR COOLING
Shabalin Denis
Viktorovich
Candidate of science, person working for doctors
Military
Educational-Research Centre of Ground Forces s. Moscow
Кozlov Andrey
Alexandrovich
Assistant of head educational and methodical department
Omsk Automobile and Tank engineer institute, s. Омsк
АННОТАЦИЯ.
В статье
раскрыт новый принцип организации рабочего процесса системы наддува
комбинированного двигателя с вихревым охладителем наддувочного воздуха.
Предложена функциональная схема охладителя, реализующая вихревой эффект Ранка.
Изложены основные положения по обеспечению стабилизации температуры
наддувочного воздуха в оптимальный пределах.
ABSTRACT.
The article is devoted to the new method
organization of workflow the turbocharged engine with vortex charge air cooler.
Mode a functional diagram of cooler, based vortex Ranque effect. Present the
main provisions of temperature stabilization charge air cooler in the optimal
limits.
Ключевые слова: наддув; компрессор;
вихревой эффект; вихревая труба.
Keywords:
boost; compressor; vortex effect; vortex tube.
В настоящее время дальнейшее форсирование
дизелей наддувом в значительной мере сдерживается рядом негативных факторов,
прежде всего, связанных с ростом тепловой напряженности цилиндропоршневой
группы. Возможность преодоления отмеченных проблем охлаждением свежего заряда
воздуха ограничивается рамками традиционных схем охладителей наддувочного
воздуха (ОНВ), что предопределяет интерес к поиску новых принципов организации
рабочих процессов систем воздухоснабжения двигателей.
В силовых установках с наддувом преимущественно
применяется два основных вида систем охлаждения наддувочного воздуха:
воздухо-воздушная и водо-воздушная система охлаждения наддувочного воздуха. С
повышением степени форсирования двигателей, большее предпочтение отдается
водо-воздушным системам [1, с. 112].
Исследования показывают, что диапазон температур
охлаждающей жидкости в охлаждающем контуре дизелей составляют 90…120 ºС, в
зависимости от типа и режима работы двигателя. Однако, целесообразная
температура наддувочного воздуха с точки зрения «компромисса» межу мощностными,
экономическими, экологическими показателями и тепловой и механической
нагруженностью составляет 66-81 ºС [2, с.19]. Таким образом температура
хладагента (охлаждающей жидкости двигателя), является ограничивающим фактором
(если не используется отдельный контур охлаждения надувочного воздуха) глубины
охлаждения свежего заряда воздуха.
К перспективному, с этой точки зрения,
направлению развития систем наддува относится применение в составе ОНВ вихревых
аппаратов, состоящих из комплекта вихревых труб (ВТ). Принципиальным отличием
вихревых ОНВ от известных систем охлаждения является возможность обеспечения
существенно большей глубины охлаждения наддувочного воздуха, высокая
энергоэффективность теплообменных процессов, простота конструкции, низкая
чувствительность показателей работы к отклонению эксплуатационного режима от
расчетных условий.
Рассмотрим работу вихревой трубы более подробно.
Вихревая труба – это не имеющая изнашивающихся
частей компактная холодильная машина, питаемая сжатым воздухом, в том числе и
от бортовой пневмосети, (рис. 1). В работе ВТ используется «самопроизвольное»
разделение вращающегося турбулентного потока воздуха (газа) на охлажденное ядро
и горячие периферийные слои. Радиальный перенос тепла, происходящий в этих
условиях, называют вихревым эффектом Ранка. ВТ позволяет получать холодный
поток с температурой от плюс 20°С до минус 120°С и попутно горячий – с
температурой от 40°С до 120°С.
Рис. 1. Схема простейшей вихревой трубы
В настоящее время вихревые трубы широко
применяются в таких областях промышленности как: технология машиностроения,
станкостроение, промышленная электроника (создание «холодных зон» на
поверхности или в объеме инструмента и/или материала, охлаждение блоков
управления программных станков, автоматических линий, роботизированных
участков, безлюдных производств), испытательная техника, использующая холодный
и горячий воздушные потоки из ВТ (климатическое тестирование готовой продукции
для регионов с континентальным климатом; испытания на «температурный шок»
бортовой радиоэлектроники), технологии в мебельной промышленности: вдув
холодного воздуха в зону фрезерования при изготовлении облицовочных плит и в
зону налива лака в лаконаливных машинах, технологии производства листовых
материалов: раздув холодным потоком полиэтиленовой пленки, охлаждение листовой
резины; производство стекла, технологии в литейном производстве: охлаждение
песка в установках с быстротвердеющими смесями и т.д. Имеются исследования
применения охлажденного потока из ВТ в качестве хладагента для
кондиционирования кабины водителя транспортного средства.
Автором предложен принципиально новый подход к
охлаждению потока наддувочного воздуха заключающийся в использовании вихревого
эффекта (рис. 2,б).
|
|
|
Рис. 2. Принципиальная схема
комбинированного двигателя с различными системами охлаждения наддувочного
воздуха
а – схема комбинированного двигателя с
штатным охладителем наддувочного воздуха; б - схема двигателя с вихревым
охладителем наддувочного воздуха
1 – дизель; 2 – выпускной коллектор; 3 –
турбина; 4 – компрессор; 5 – охладитель наддувочного воздуха; 6 – выпускной
коллектор
•
Рис. 3. Принцип работы вихревого
охладителя наддувочного воздуха
Принципиальная схема комбинированного двигателя
с различными системами охлаждения наддувочного воздуха представлена на (рис.
2).
Принцип работы вихревого охладителя поясняется
схемой, (рис. 3). Воздух из атмосферы посредством компрессора подается в
сопловые вводы вихревого аппарата, разделяется на горячий и холодный потоки.
Холодный поток направленный на радиатор ОНВ, охлаждает свежий заряд воздуха
направляющийся в цилиндры двигателя.
Так же не следует пренебрегать возможностью
обеспечения регулирования температуры свежего заряда воздуха, в зависимости от
режима работы двигателя, в частности на режиме холостого хода и малых нагрузок.
В условиях низкой температуры окружающего воздуха проблемы работы дизелей на
частичных нагрузках и холостом ходу особенно обостряются [3, с. 28]. Могут
иметь место пропуски воспламенений в отдельных циклах, что способствует
интенсивному появлению промежуточных продуктов химических реакций окисления с
образованием смолистых веществ во впрыснутом топливе и их отложений на
поверхности выпускного тракта, выпускных клапанах, на стенках соплового венца и
турбинного колеса турбокомпрессора [3, с. 94]. Затвердевание смолистых
отложений при остывании остановленного двигателя в случае его повторного пуска
может приводить к зависанию клапанов и, как следствие, выходу из строя деталей
механизма газораспределения.
Таким образом, снижение негативных последствий
работы двигателя на режимах холостого хода, можно обеспечить подогревом свежего
заряда, отходящим из ВТ горячим потоком воздуха. В этом случае обеспечивается
стабильность параметров надувочного воздуха.
Литература:
1.
Автомобильные двигатели с турбонаддувом: учебник / В.Э. Аболтин [и др.]; общ. ред. Л. С.
Тарасевича. - М.: Машиностроение, 1991. - 336 с.
2.
Метод регулирования параметров
наддува комбинированного двигателя (статья) / Д.В. Шабалин //
Периодический журнал научных трудов. - 2011. - №1. - С. 19-21
3.
Стабилизация температуры наддувочного: дис. … канд.
тех. наук / Г. А. Берестнев. - Челябинск., 2008. – 123 с.