Среда, 02 Ноябрь 2016 23:19

Турбонаддування дизеля і підвищення ефективності виробництва

Турбонаддування дизеля і підвищення  ефективності виробництваУ складі силової установки дизель завоював провідне місце завдяки високій паливній економічності, низькій токсичності відпрацьованих газів та широким можливостям по рівню підвищення потужності.

Статистика інформує, що на сучасному рівні розвитку техніки витрати на її експлуатацію становлять 31,7% від всіх витрат. Причому 59,7% витрат на експлуатацію становлять витрати на нафтопродукти. Тож важливо мати двигун не тільки потужний з заданою характеристикою роботи, а перш за все економічний.

Не вдаючись в подробиці теорії двигунів внутрішнього згоряння, слід зазначити, що потужність поршневого двигуна визначається його робочим об’ємом і числом циліндрів, частотою обертання та середнім ефективним тиском в циліндрах. Очевидно, що підвищення потужності за рахунок збільшення робочого об’єму (збільшення розмірів і числа циліндрів, тобто літражу) зразу ж приведе до збільшення маси і габаритів двигуна та його вартості. Збільшення ж потужності шляхом збільшення частоти обертання колінчастого валу проблематично через технічні проблеми, що виникають при цьому (особливо на двигунах з великим робочим об’ємом).

Закони фізики свідчать, що потужність двигуна напряму залежить від кількості спалюваного палива за один робочий цикл. Чим більше палива ми спалюємо, тим більша потужність. Таким чином, найбільш простий спосіб підвищення потужності двигуна – збільшення розміру циліндрів або їх кількості для можливості спалювання збільшеної кількості палива. Однак природа так влаштована, що значна частина приросту потужності зразу ж буде втрачатись на тертя і витрата палива на одиницю потужності стрімко зросте.

Прогрес турботехніки привів до того, що в даний час частка навіть легкових автомобілів з турбонаддувними двигунами складає приблизно половину загального числа автомобілів у віці до 5 років і продовжує збільшуватися. З них близько 20% – бензинові автомобілі, інші – дизельні. Таке співвідношення не випадкове. Дизелі істотно краще пристосовані до наддування взагалі і до турбонаддування зокрема.

Чому ж в наші дні так привертає двигунобудівників сторічна ідея турбонаддування двигунів?

Двигун, обладнаний турбокомпресором, як вже не раз згадувалося, має високу питому потужність і крутний момент. Використання турбонаддування дає можливість досягти заданих характеристик силового агрегату (будь-якої потужності) при менших габаритах і масі, ніж у разі застосування «атмосферного двигуна». Звідси витікає ще один важливий наслідок: у турбодвигуна краща паливна економічність. Адже він більш компактний і навіть при однаковій потужності з «атмосферним двигуном» ефективно витрачає паливо. У нього менша тепловіддача, насосні втрати і відносні втрати на тертя. Економії палива сприяє і більш високий крутний момент, при низьких частотах обертання колінчастого валу. Крім того, у турбодвигуна кращі екологічні показники. Менше споживання палива «при інших рівних» означає менші сумарні викиди шкідливих речовин.

Наддування камери згоряння також приводить до зниження температури і, відповідно, зменшення утворення оксидів азоту. В дизелях додаткова подача повітря дозволяє змістити межу виникнення димності, тобто боротися з викидами частинок сажі. Не було б наддування, відомі проблеми із застосуванням на дизелях каталітичних нейтралізаторів просто закрили б їм дорогу в майбутнє. Дизелі без наддування насилу дотягують до норм «Євро-2».

Також турбодвигун сприяє поліпшенню комфортабельності. Компресор в магістралі впуску і турбіна у випускній системі істотно знижують шумність роботи двигуна і забезпечують акустичний комфорт. Він доповнюється зручністю управління. Високий, рівномірно розподілений по частоті обертання крутний момент додає двигуну велику еластичність.

Виробництво двигунів, обладнаних турбокомпресорами освоюють провідні фірми. На комерційному транспорті вже давно панують турбодизелі. Тобто турбодвигуни – зовсім не екзотика. На думку фахівців, майбутнє двигунобудування нерозривно пов’язане саме з ними, і воно наступає вже сьогодні.

На сучасних закордонних тракторах середньої і великої потужності, як правило, встановлюються двигуни, оснащені турбокомпресорами. Саме використання турбокомпресорів забезпечує їх високі техніко-економічні показники і зменшує витрату палива на номінальних навантаженнях на відміну від їх безнаддувних аналогів.

Вказані методи підвищення економічності і потужності успішно реалізовані в двигунах серії Д-260.4, розроблених Мінським моторним заводом (ММЗ) для тракторів. Їх конструкція в повній мірі відповідає наведеній концепції розвитку світового двигунобудування. Саме двигуни цієї серії встановлюються на нових потужних тракторах МТЗ та при переобладнанні на трактори ХТЗ.

Мінський 6-циліндровий, рядний, а значить більш зрівноважений тракторний двигун, при більшій потужності має меншу вагу, більш економічний, ніж двигун ЯМЗ-236М2 (ЯМЗ-236Д). Як показали випробування, проведені в Українському науково-дослідному інституті прогнозування і випробування сільськогосподарської техніки і технологій (УкрНДІПВТ) ім. Л. Погорілого, завдяки газотурбінному регульованому наддування і проміжному охолодженню повітря, застосуванню сучасних матеріалів і технологій, мінські двигуни являють собою нове сучасне покоління енергоустановок для тракторів і комбайнів. При роботі тракторів ХТЗ та ХТА-200 «Слобожанець» на номінальному навантаженні, питома витрата палива у Д-260.4 на 15-20% менша, ніж у безнаддувних двигунів ЯМЗ-236М2, ЯМЗ-236Д.

На цих двигунах використаний найбільш перспективний спосіб підвищення потужності двигуна і зменшення питомої витрати палива – регульований турбонаддув, оскільки використання турбіни з компресором не вимагає затрат додаткової енергії. Подібними турбокомпресорами оснащується більшість потужних дизелів, що випускаються за рубежем для тракторів і комбайнів.

Турбокомпресор забезпечує наддування (подачу під тиском) повітря в циліндри. Він працює за рахунок енергії відпрацьованих газів, яка становить близько 30% від загальної енергії, що виділяється при згорянні палива. У безнаддувних двигунах вона втрачається, а в турбокомпресорі значна частина її використовується для роботи. В результаті, одночасно з підвищенням потужності зменшується питома витрата палива.

Особливістю конструкції турбокомпресора дизеля Д-260.4 є його оснащення регульованим тиском наддування. Застосування регульованого турбокомпресору дозволяє забезпечити необхідний закон зміни тиску наддування по швидкісній характеристиці двигуна і запобігти надмірному підвищенню частоти обертання ротора турбокомпресора на режимі максимальної потужності. В даній конструкції використовується система регулювання, яка виконана шляхом автоматичного перепуску частини вихлопних газів повз турбіну. Регулювання кількості газу здійснюється за допомогою клапану тарілчастого типу з діафрагмовим виконавчим механізмом, встановленим безпосередньо на корпусі турбіни.

При стисненні в компресорі повітря нагрівається, внаслідок чого його щільність зменшується. Це призводить до того, що в робочому об’ємі циліндра повітря, а отже і кисню, по масі стає менше, ніж могло б поміститися за відсутності нагрівання. Щоб створити умови для згоряння в циліндрах більшої кількості палива, вживають додаткових заходів для збільшення коефіцієнту наповнення. Для цього повітря, що стискається в компресорі, перед подачею його в циліндри двигуна охолоджується в холодильнику, який став невід’ємною частиною більшості двигунів з наддуванням. Двигун Д-260.4 оснащений холодильником – інтеркулером, в якому охолодження повітря, що надувається, здійснюється шляхом обдування його зовнішньої ребристої поверхні повітряним потоком. Охолоджувач повітря, що наддувається, відбирає у всмоктуваного повітря тепло (повітря охолоджується з 70-90ºС практично до температури навколишнього середовища), що збільшує його щільність і тим самим, відповідно, потужність двигуна.

Приблизні розрахунки показують, що пониження температури наддувочного повітря на 10°С дозволяє збільшити його густину приблизно на 3%. Це, у свою чергу, дозволяє збільшити потужність двигуна приблизно на такий же відсоток, так що, наприклад, охолоджування повітря на 33°С дасть збільшення потужності приблизно на 10%.

З другого боку, охолодження повітряного заряду приводить до пониження температури на початку такту стиску і дозволяє реалізувати ту ж потужність двигуна при зменшеному ступені стиску в циліндрі. Наслідком цього є зменшення температури відпрацьованих газів, що позитивно позначається на зменшенні теплового навантаження деталей камери згоряння.

Зменшення ступеня стиску у дизеля Д-260.4 до 15 і зменшення розмірів турбіни покращують типово слабі сторони двигуна з турбонаддуванням, а саме: дозволяють збільшити крутний момент при низьких частотах обертання колінчастого валу і скоротити час виходу на новий режим роботи при різкому прискоренні. Обидва ці чинники для двигуна з наддуванням в експлуатаційних умовах мають велике значення, таке ж, як і досягнення високої питомої потужності, оскільки трактор буде легко долати навантаження без перемикання на нижчу передачу. Це особливо важливо для трактора як багатоцільової машини, у якого з метою підвищення його експлуатаційних показників система подачі повітря повинна забезпечувати високий ККД на експлуатаційних режимах, найбільш представницьких по енерговитратах.

Прискорення підвищення тиску наддування при збільшенні частоти обертання сучасного двигуна, яким є Д-260.4, відбувається в результаті порівняно малого моменту інерції ротора турбокомпресора, оскільки для наддування застосовується турбокомпресор малої розмірності. Внаслідок прискорення надходження повітря в камеру згоряння при роботі на перехідних режимах забезпечується добра приємистість двигуна та повнота згоряння палива і, відповідно, зменшується його витрата.

Від характеристики системи турбонаддування залежать показники двигуна, а відповідно і трактора. Спостереження підтверджують, що при встановленні турбонаддувного двигуна Д-260.4 на тракторах типу Т-150К (ХТЗ-170) істотно підвищується питома потужність, покращується приємистість, навіть на низьких обертах двигуна (оскільки такі двигуни мають значний запас крутного моменту), його експлуатація має більш високу паливну економічність, а робота супроводжується меншим викидом токсичних речовин у відпрацьованих газах.

При роботі турбокомпресора чим більше відпрацьованих газів потрапляє в турбіну, тим швидше вона обертається і тим більше додаткового повітря надходить в циліндри і тим вище потужність. Ефективність цього рішення в порівнянні, наприклад, з приводним нагнітачем в тому, що на «самообслуговування» наддування витрачається зовсім небагато енергії двигуна – всього 1,5%. Річ у тому, що ротор турбіни одержує енергію від вихлопних газів не за рахунок їх сповільнення, а за рахунок їх охолоджування – після турбіни вихлопні гази йдуть як і раніше швидко, але більш холодні. Крім того, затрачувана на стиснення повітря дармова енергія підвищує ККД двигуна. Та і можливість зняти з меншого робочого об’єму велику потужність означає менші втрати на тертя, меншу вагу двигуна (і машини в цілому). Все це робить двигуни з турбонаддуванням більш економічними порівняно з їх атмосферними побратимами рівної потужності.

Відомо, що найбільш об’єктивну оцінку динамічних якостей двигуна можна отримати при аналізі його зовнішньої швидкісної характеристики. Зовнішня швидкісна характеристика є залежністю показників роботи двигуна (потужності, крутного моменту, коефіцієнта наповнення циліндрів, питомої ефективної витрати палива і ін.) від частоти обертання колінчастого валу при незмінному положенні органу управління, що забезпечує максимальну подачу палива в циліндри.

Важливим параметром двигуна, що дозволяє оцінити стійкість його режиму при роботі по зовнішній швидкісній характеристиці, є коефіцієнт пристосованості. Його значення визначається відношенням максимального крутного моменту до номінального крутного моменту, що розвивається двигуном на номінальній потужності при номінальній частоті обертання колінчастого валу. Він у наддувного двигуна Д-260.4 значно більший, ніж у безнаддувного ЯМЗ-236Д. Особливо помітно значущість цього параметра виявляється у разі подолання трактором навантажень. Чим більше значення коефіцієнту пристосованості, тим більший опір руху може подолати трактор без перемикання коробки передач на знижену передачу. Важливе значення при цьому має і розширений діапазон зміни частоти обертання колінчастого валу, в якому двигун стійко працює, оскільки чим більший цей діапазон, тим кращі динамічні якості має трактор, тим легше управління двигуном.

Швидкісний діапазон стійкої роботи двигуна оцінюється швидкісним коефіцієнтом, що є відношенням частоти обертання колінчастого валу при максимальному крутному моменті до номінальної частоти обертання. Звідси витікає, що чим більше діапазон стійкої роботи двигуна, тим менше значення швидкісного коефіцієнта. Це означає, що при інших рівних параметрах порівнюваних тракторів з різними двигунами перевагу слід віддати трактору, двигун якого характеризується меншим значенням швидкісного коефіцієнта.

Отримання високих показників дизеля Д-260.4 стало можливим перш за все завдяки корекції паливоподачі, вдосконаленню сумішоутворення і застосуванню регульованого турбонаддува.

Аналіз зовнішньої швидкісної характеристики дизельного двигуна Д-260.4 показує, що турбокомпресор забезпечує:

● максимальне підвищення тиску наддування в діапазоні частот обертання колінчастого валу від 1000 до 2000 хв-1, а відповідно – підвищення крутного моменту при збільшенні навантаження;

● підтримку максимального тиску наддування в діапазоні номінальних частот обертання колінчастого валу;

● можливість збільшення максимального тиску наддування від 1,8 до 2,5 Бар у міру переходу від Євро 0 до Євро 3, при цьому літрова потужність дизелів зростає від 34,7 до 57,9 кВт/л.

Проведені випробування дизеля з регульованим турбокомпресором підтвердили істотне поліпшення характеристики системи подачі повітря, зниження теплової напруги при одночасному зростанні крутного моменту по всій зовнішній швидкісній характеристиці.

Введення регульованого наддування дозволяє істотно змінити протікання залежності зміни крутного моменту, піднявши рівень максимальних величин і змістивши їх в зону знижених частот обертання двигуна.

Таким чином, застосування такого турбокомпресора на двигуні Д-260.4 забезпечує:

● за рахунок високої ефективності компресора і турбіни турбокомпресора – високу питому потужність двигуна;

● за рахунок оптимальної системи регулювання – паливну економічність;

● за рахунок оптимального співвідношення витрати повітря і палива на всіх режимах від холостого ходу до номінального – низький рівень викидів токсичних компонентів на всіх режимах роботи;

● за рахунок малих діаметрів робочих коліс – зменшення динамічного опору; малий момент інерції, а в поєднанні з оптимальною системою регулювання забезпечує додаткову подачу повітря на динамічних режимах;

● за рахунок регулювання наддування – підвищення крутного моменту двигуна та зміщення його в зону низьких частот обертання колінчастого валу;

● за рахунок додаткової подачі повітря на режимах розгону, коли у двигунів з нерегульованими турбокомпресорами відбувається недостатня подача повітря – зменшення димності відпрацьованих газів.

Досвід господарств, які вже експлуатують трактори ХТЗ з мінськими двигунами Д-260.4, оснащених турбокомпресорами, показує, що за день роботи на оранці економиться до 40-50 літрів дизпалива в порівнянні з тракторами, обладнаними двигунами ЯМЗ при виконанні однакових робіт. Крім того, трактор з мінським, більш потужним (210 к.с.) двигуном, оре 10 га поля за той же час, за який трактор з двигуном ЯМЗ-236 оре тільки 8 га такого ж поля, тобто із використанням двигуна ММЗ продуктивність трактора зростає на 20%.

Додаткова інформація за телефонами: (057) 715-45-55, (050) 514-36-04
Прочитано 1991 раз