XI Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2019

По своим свойствам моторное топливо из природного газа превосходит нефтяные топлива. При применении его в поршневых двигателях обеспечиваются высокие их технико-экономи­ческие показатели, так как природный газ имеет хорошие антидетонационные качества, благоприятные условия смесеобразования и широкие пределы воспламенения в смеси с воздухом.

Наиболее реальным и эффективным способом повышения качественных показателей поршневых газовых двигателей с целью удовлетворения требованиям энерговооруженности энергетической установки является применение непосредственного впрыска газового топлива в цилиндр двигателя и газотурбинного наддува. Этот способ становится ведущим и общепризнанным приемом форсирования газопоршневых двигателей с принудительным воспламенением.

Непосредственный впрыск газового топлива наиболее целесообразно осуществлять через специаль­ную форсунку, расположенную на боковой поверхности цилиндра, в начале процесса сжатия. В этом случае газовое топливо не зани­мает места в пределах рабочего объема цилиндра двигателя в процессе впуска и наполнение цилиндра воздухом оказывается выше, чем при работе на бензине, который испаряется при про­хождении через впускной клапан и вследствие значительного удельного объема паров уменьшает наполнение. Поскольку газ хранится при значительном избыточном давлении, для подачи его в цилиндр не требуется каких-либо компрессорных устройств. Раз­мещение же форсунки на боковой поверхности цилиндра удобно тем, что в период сгорания форсунка оказывается отсеченной пор­шнем от объема, в котором оно происходит, и тем самым защи­щается от образования на ее поверхности нагара и прочих нежела­тельных воздействий. Это особенно важно для двухтопливного двигателя, который значительные периоды времени может рабо­тать на бензине, и эффект самопродувки форсунки будет отсут­ствовать.

В случае применения непосредственного впрыска коэффициент наполнения двигателя по воздуху в зависимости от состава смеси должен увеличиваться на 9‒15 % с пропорциональным увеличе­нием среднего индикаторного давления. При этом рост удельной мощности двигателя сопровождается повышением его к. п. д. вследствие уменьшения доли потерь тепла в стенки и роста термодинамической эффективности вследствие увеличения максимального давления цикла. Кроме того, снижаются вентиля­ционные потери в результате уменьшения количества смеси, про­ходящей через впускную систему. При таком решении газовый двигатель не уступает бензиновому по мощности и топливной экономичности. Причем на полной мощности его топливная эконо­мичность оказывается выше, чем у бензинового двигателя.

В этих двигателях форсунка оснащена автоматическим клапаном, открывающимся под воздействием пе­репада давлений между газовой магистралью и цилиндром дви­гателя, а расход топлива регулируется дросселированием потока в газовой магистрали. Таким образом, этот метод не требует соз­дания специального привода газоподающего клапана. Подача газа обеспечивается конструкцией газовой топливной аппаратуры. Это, правда, не исключает целесообразности создания специальногодвухтопливного двигателя с приводными газоподающими клапа­нами, поскольку специально разработанный двигатель, как пра­вило, оказывается более эффективным, чем конвертированный.

Применение наддува для двигателей с искровым зажиганием
в последние годы получило некоторое распространение за рубежом как средство повышения не столько мощности, сколько топливной экономичности двигателей за счет уменьшения потерь придросселировании на частичных нагрузках. Одиннадцать зарубежных фирм, среди которых такие известные концерны по произ­водству автомобилей, как «Форд» и «Дженерал моторе», США,«БМВ» и «Фольксваген», ФРГ, «Нисан», Япония, «Рено», Фран­ция, выпускают 17 моделей дви­гателей, оснащенных турбонаддувным агрегатом.Основным ог­раничением распространенияэтих двигателей являются высо­кие требования к октановому числу (ОЧ) бензина,они предполагают применение бензина с ОЧ в пределах 91‒ 100 единиц по моторному методу. Природный газ не только обеспечивает эти требования, но и позволяет увеличить наддув ещена 15‒20 % ,так как имеет ОЧ не менее 104 единиц. В то жевремя агрегат турбонаддува может отключаться при работена бензине или использоваться с меньшей эффективностью. Ус­ловия применения турбонаддува требуют включения в конструк­цию агрегата устройства для управления его работой, в качествекоторого повсеместно применяется перепуск отработавших газов и воздуха параллельно турбонагнетателю. Таким образом, оснаще­ние двухтопливных двигателей системой турбонаддува не требуетвведения конструктивных изменений обычного бензинового дви­гателя.

Эффективность наддува существенно зависит от степени повышения температуры при сжатии воздуха в компрессоре. Значительный рост температуры воздухав компрессорах с недостаточно высоким КПД снижает повышение плотности заряда, что в свою очередь ограничивает увеличение цикловой подачи топлива и возможность повышения мощности двигателя при наддуве. Кроме того, повышенная температура воздуха на впуске увеличивает общий температурный уровень рабочего тела во всех фазах рабочего цикла. Последнее во многом определяет тепловую напряженность деталей цилиндропоршневой группы, а также может инициировать более интенсивное образование оксидов азота. В связи с этим очень актуальным является охлаждение наддувочного воздуха (ОНВ), поступающего в камеру сгорания.

ОНВ осуществляется с помощью рекуперативных теплообменников, в которых теплообмен происходит через разделительную стенку. Движение охлаждающего теплоносителя может быть осуществлено различными способами, выбор которых производят исходя из уровня наддува, компоновочных условий, имеющихся на двигателе, существующих технологических и производственных возможностей и др. В результате для сочетания определенного вида охлаждающего теплоносителя и способа его перемещения могут быть выполнены различные схемы системы охлаждения наддувочного воздуха.

Оценку эффективности выбираемой схемы ОНВ можно провести эксергетическом методом, который позволяет определить максимальные возможности протекающих процессов, источники потерь, пути их устранения или снижения с целью повышения эффективности охладителя наддувочного воздуха.

Эксергия теплоты теплоносителей рассчитывается по формуле

где передаваемый тепловой поток, температура окружающей среды, температура теплоносителей на входе и выходе.

Эксергетические потери в ОНВ равны

Эксергия теплоты горячего теплоносителя (воздуха)

где удельная теплоемкость воздуха при постоянном давлении; массовый расход воздуха, поступающего в цилиндр; температуры воздуха на входе и выдохе соответственно.

Эксергия теплоты холодного теплоносителя

где удельная теплоемкость жидкости при постоянном давлении;

массовый расход жидкого теплоносителя, поступающего в цилиндр;

температуры жидкого теплоносителя на входе и выдохе соответственно.

С учетом уравнения теплового баланса

Из уравнения (5) можно найти

Выражение для эксергетических потерь принимает вид

Эксергетический КПД

Таким образом, использование эксергетического КПД для оценки термодинамического совершенства ОНВ может быть весьма полезным при решении некоторых практических задач: выборе схемы системы ОНВ; определение возможности значительного сокращения металлоемкости теплообменника и расхода холодного теплоносителя; поиск технических решений направленных на рациональное использование эксергии теплоты, отводимой в ОНВ.

Л и т е р а т у р а

Хак Г. Турбодвигатели и компрессоры: Справ.пособие.  М.: ООО Издательство Астрель, 2003.  351 с.

Патрахальцев Н.Н., Савастенко А.А. Форсирование двигателей внутреннего сгорания наддувом:  М.: Легион-Автодата, 2005. 176 с.

Гайнуллин Ф.Г., Гриценко А.И., Васильев Ю.Н., Золоторевский Л.С. Природный газ как моторное топливо на транспорте. – М.: Недра, 1986. – 255 с.

Зейнетдинов Р.А. Энергодинамика поршневых двигателей: Монография. – СПб: СПбГАУ, 2018. – 272 с.

Код для цитирования: Скопировать