Применение силовой турбины на дизельных двигателях автотракторного типа

  Основной тенденцией в развитии машиностроения и, в частности, двигателестроения является повышение экономичности, надежности и долговечности. Кроме того, для современных дизелей существует проблема экологической чистоты, одним из элементов которой является термическая чистота, что подразумевает под собой степень выброса в атмосферу неиспользованной  теплоты сгоревшего топлива, способной произвести полезную работу. Одним из путей решения этих проблем может быть турбокомпаундирование двигателей, т.е. когда наряду со свободным турбокомпрессором устанавливается соединенная с коленчатым валом газовая турбина, и мощность создается не только в цилиндрах двигателя, но и в силовой турбине.

 Для дизельных двигателей автотракторного типа целесообразна схема последовательной установки силовой турбины за турбиной свободного турбокомпрессора (рис.1). При этом, в случае уменьшения расхода газа на частичных нагрузках, повышенный перепад давления срабатывается на первой по ходу газов турбине свободного турбокомпрессора, что способствует более быстрому разгону турбокомпрессора, уменьшению удельного эффективного расхода топлива и задымленности.

    Применение силовой турбины типоразмера ТС-12,5 на тракторном дизеле 6ЧН12/14 приводит к снижению удельного эффективного расхода топлива на номинальном режиме роботы до 8г/кВтч. При соблюдении условий равенства давления наддува на номинальном режиме работы базового двигателя 6ЧН12/14 и турбокомпаундного  наблюдается следующее:

1. С точки зрения рабочего процесса дизеля, а точнее процесса газообмена, применение силовой турбины приводит к увеличению среднего давления насосных ходов с Р_нх=0,07МПа до Р_нх=0,13МПа и коэффициента остаточных газов с  0,0307 до 0,0436. Но благодаря тому, что при мощности N_cy=184кВт силовая турбина вырабатывает  более 10% мощности силовой установки, и на номинальном режиме работы мощность, вырабатываемая ТС-12,5 и предаваемая на коленчатый вал двигателя на 47% превышает увеличение мощности, затрачиваемой на насосные хода поршня.
2. Применение силовой турбины приводит к разгрузке поршневой части двигателя, а, следовательно, к улучшению механической и тепловой напряженности цилиндропоршневой группы, т.е. к улучшению показателей надежности и долговечности двигателя.
3. В результате применения силовой турбины удельный эффективный расход топлива  на номинальном режиме работы уменьшается на 3,5% (рис. 2, а).  При форсировании двигателя по нагрузке до мощности N_cy=200кВт снижение составляет 10г/кВтч. Этот режим можно рассматривать как форсирование базового двигателя силовой турбиной. На режиме максимального крутящего момента удельный эффективный расход топлива снижается на 6г/кВтч.
4. Отличительной особенностью  применения силовой турбины на двигателе является увеличение давления наддува на пониженных частотах вращения коленчатого вала по сравсравнению с серийным двигателем. Так на режиме максимального крутящего момента (рис.2, б) давление наддува возрастает с 0,196МПа до 0,205МПа притом, что на номинальном режиме оно было равным у обоих вариантов. При этом  у турбокомпаундного двигателя температура выпускных газов перед турбиной турбокомпрессора снижается на 47К. Следовательно, турбокомпаундирование двигателя позволяет увеличить коэффициент приспособляемости.
5. При работе двигателя по нагрузочным характеристикам применение силовой турбины приводит к снижению расхода топлива при нагрузках не менее 50% . Для того чтобы увеличить диапазон экономичной работы двигателя при постоянной частоте вращения коленчатого вала необходимо использовать редуктор с переменным передаточным отношением.

Основной тенденцией в развитии машиностроения и, в частности, двигателестроения является повышение экономичности, надежности и долговечности. Кроме того, для современных дизелей существует проблема экологической чистоты, одним из элементов которой является термическая чистота, что подразумевает под собой степень выброса в атмосферу неиспользованной  теплоты сгоревшего топлива, способной произвести полезную работу. Одним из путей решения этих проблем может быть турбокомпаундирование двигателей, т.е. когда наряду со свободным турбокомпрессором устанавливается соединенная с коленчатым валом газовая турбина, и мощность создается не только в цилиндрах двигателя, но и в силовой турбине.

     Для дизельных двигателей автотракторного типа целесообразна схема последовательной установки силовой турбины за турбиной свободного турбокомпрессора (рис.1). При этом, в случае уменьшения расхода газа на частичных нагрузках, повышенный перепад давления срабатывается на первой по ходу газов турбине свободного турбокомпрессора, что способствует более быстрому разгону турбокомпрессора, уменьшению удельного эффективного расхода топлива и задымленности.

    Применение силовой турбины ТС-12,5 на тракторном дизеле 6ЧН12/14 приводит к снижению удельного эффективного расхода топлива на номинальном режиме роботы до 8г/кВтч. При соблюдении условий равенства давления наддува на номинальном режиме работы базового двигателя 6ЧН12/14 и турбокомпаундного  наблюдается следующее:

1. С точки зрения рабочего процесса дизеля, а точнее процесса газообмена, применение силовой турбины приводит к увеличению среднего давления насосных ходов с Р_нх=0,07МПа до Р_нх=0,13МПа и коэффициента остаточных газов с  0,0307 до 0,0436. Но благодаря тому, что при мощности N_cy=184кВт силовая турбина вырабатывает  более 10% мощности силовой установки, и на номинальном режиме работы мощность, вырабатываемая ТС-12,5 и предаваемая на коленчатый вал двигателя на 47% превышает увеличение мощности, затрачиваемой на насосные хода поршня.
2. Применение силовой турбины приводит к разгрузке поршневой части двигателя, а, следовательно, к улучшению механической и тепловой напряженности цилиндропоршневой группы, т.е. к улучшению показателей надежности и долговечности двигателя.
3. В результате применения силовой турбины удельный эффективный расход топлива  на номинальном режиме работы уменьшается на 3,5% (рис. 2, а).  При форсировании двигателя по нагрузке до мощности N_cy=200кВт снижение составляет 10г/кВтч. Этот режим можно рассматривать как форсирование базового двигателя силовой турбиной. На режиме максимального крутящего момента удельный эффективный расход топлива снижается на 6г/кВтч.
4. Отличительной особенностью  применения силовой турбины на двигателе является увеличение давления наддува на пониженных частотах вращения коленчатого вала по сравсравнению с серийным двигателем. Так на режиме максимального крутящего момента (рис.2, б) давление наддува возрастает с 0,196МПа до 0,205МПа притом, что на номинальном режиме оно было равным у обоих вариантов. При этом  у турбокомпаундного двигателя температура выпускных газов перед турбиной турбокомпрессора снижается на 47К. Следовательно, турбокомпаундирование двигателя позволяет увеличить коэффициент приспособляемости.
5. При работе двигателя по нагрузочным характеристикам применение силовой турбины приводит к снижению расхода топлива при нагрузках не менее 50% . Для того чтобы увеличить диапазон экономичной работы двигателя при постоянной частоте вращения коленчатого вала необходимо использовать редуктор с переменным передаточным отношением.