9 Охлаждение наддувочного воздуха

Охлаждение наддувочного воздуха было предложено еще Р. Дизелем как средство увеличения мощности.

Цикл комбинированного ДВС с охлаждением надувочного воздуха (ОНВ) (далее по тексту буквами ОНВ будем обозначать также сам охладитель наддувачного вохдуха) можно представить в следующем виде:

Понижение температуры заряда к началу сжатия в цилиндре ДВС позволяет подвести дополнительное количество теплоты при неизменных ограничительных значений давления и температуры цикла, увеличить площадь диаграммы и работу цикла. Термодинамический к.п.д. такого цикла будет ниже из-за дополнительного отвода теплоты . Это можно показать, рассмотрев два идеализированных цикла с охлаждением надувочного воздуха (так называемым «промежуточным охлаждением») и без него при одинаковом количестве подведенной теплоты.

- средние температуры подвода и отвода теплоты в цикле с ОНВ;

- средние температуры подвода и отвода теплоты в цикле без ОНВ;

Поскольку

В реальных же условиях понижение температуры воздуха на входе в цилиндр поршневого двигателя позволяет увеличить плотность воздуха, повысить коэффициент избытка воздуха α, увеличив тем самым индикаторный к.п.д. (для дизеля). Повышение площади диаграммы и работы цикла увеличивает механический к.п.д. двигателя, что также сказывается на росте его эффективного к.п.д. Поскольку все температуры цикла пропорциональны температуре начала сжатия, то снижение этой температуры за счет охлаждения надувочного воздуха, позволяет снизить температуры деталей двигателя, температуру отработавших газов и тепловую нагрузку на турбину турбокомпрессора; хотя работа турбины при этом несколько уменьшается.

Исследования температурного сгорания деталей двигателя показали следующее:

Снижение температуры камеры сгорания ДВС:

- температура с наддувом;

– температура без наддува;

– межклапанная перемычка головки цилиндров;

- стенка камеры сгорания в поршне (кромка);

- поршень над верхним поршневым кольцом;

- верхняя часть гильзы.

Снижение температуры цикла обеспечивает уменьшение образования окиси азота – основного токсичного компонента вредных выбросов двигателя.

Снижение температуры заряда позволяет в ДВС с искровым зажиганием предотвратить детонацию, не снижая при этом степень сжатия.

Без охлаждения надувочного воздуха допустимое значение степени сжатия можно оценить по формуле:

- ДВС с наддувом;

- ДВС без наддува;

- давление наддува, МПа.

Использование ОНВ меняет тепловой баланс двигателя, уменьшая долю теплоты, отводимой в систему охлаждения . Однако сумма долей теплоты (доля теплоты топлива, отводимая в ОНВ) остается практически неизменной.

При применении ОНВ коэффициент наполнения двигателя (отношение фактически вошедшего в цилиндр заряда к количеству, которое могло бы войти в цилиндр при параметрах заряда в нем, равным параметрам перед впускным клапаном) несколько снижается (на 3-4%). Причину этого явления можно объяснить увеличением подогрева от деталей двигателя при входе охлажденного в ОНВ заряда в цилиндр.

Из условия получения одинаковой плотности заряда, поступающего в цилиндр ДВС, с ОНВ и без:

- давление наддува, коэффициент наполнения, температура воздуха – система наддува без ОНВ;

- те же параметры при наличии ОНВ.

- давление воздуха, поступающего в цилиндр после ОНВ; – потери давления в ОНВ.

Тогда давление, создаваемое нагнетателем

Это давление должен обеспечивать компрессор турбокомпрессора, чтобы получить на входе в цилиндр ДВС давление или обеспечить при температуре плотность воздуха , требуемую для получения расхода воздуха , соответствующего выбранному коэффициенту избытка воздуха α (при заданных значениях мощности и удельного расхода топлива ):

( - теоретически необходимое количество воздуха для сжигания 1 кг топлива).

Итак, с понижением температуры воздуха снижается требуемое давление наддува, соответственно необходимая работа турбины, противодавление на выпуске газов из цилиндра. При приводном нагнетателе уменьшаются затраты мощности на привод компрессора. Правда, при снижении температуры вследствие некоторого увеличения подогрева заряда на входе в цилиндр снижается коэффициент наполнения , однако это снижение меньше, чем увеличение плотности заряда с понижением . Относительное увеличение плотности воздуха за счет промежуточного охлаждения:

В работе Н.С. Ханина и др. (см. Использованная литература, [9]) рекомендуется эмпирическая формула:

– опытный коэффициент.

Методика определения необходимого давления наддува будет изложена в специальном разделе.

Температура воздуха на выходе из компрессора определяется по формуле

т.е. зависит от степени повышения давления наддува и адиабатического к.п.д. компрессора .

Способы охлаждения наддувочного воздуха

1. Охлаждение заряда впрыскиванием легко испаряющейся жидкости в заряд, поступающий в компрессор или непосредственно в компрессор (испарительное охлаждение). При этом чем выше теплота испарения жидкости, тем больше охладится заряд.

Снижение температуры ( ) смеси (α=1) при полном испарении топлива

Топливо:	Метанол	Этанол	Бензин Аи-93	Вода
	123,1	80,4	18,6	-
	2,43	2,39	1,97	4,19
	1100	920	308	2250
	6,5	9,0	14,5	-

В настоящее время этот способ применяется весьма редко.

2. Наиболее распространено охлаждение воздуха в рекуперативном теплообменнике – воздухо-воздушном или водо-воздушном.

3. Изменение внутренней энергии сжатого воздуха в расширительных турбинах (турбодетандерное охлаждение) или в цилиндрах двигателя (способ Миллера-«внутреннее охлаждение»).

4. В проектном варианте охлаждение воздуха в специальной холодильной установке, компрессор который приводится от вала наддуваемого ДВС.

Рекуперативные теплообменники

В системе с водо-воздушным теплообменником вода (или другая охлаждающая жидкость) охлаждается в специальном водо-воздушном теплообменнике. Воздух в этот теплообменник подается вентилятором системы охлаждения, либо специальным вентилятором. Часто в качестве жидкости, охлаждающей наддувочный воздух, используется жидкость системы охлаждения двигателя. Иногда водо-воздушный ОНВ встраивается непосредственно во впускной коллектор двигателя.

В воздухо-воздушных ОНВ наддувочный воздух охлаждается окружающим воздухом, подаваемым вентилятором системы охлаждения ДВС, либо специальным вентилятором или просто скоростным потоком воздуха.

Преимущества водо-воздушных ОНВ:

Компактность, поддержание нижней температуры заряда на достаточно высоком уровне, что важно в холодных условиях эксплуатации. При отдельной системе охлаждения жидкости возможно получение низких температур заряда.

Недостатки:

Усложнение конструкции, наличие двух сред, возможность попадания воды в систему воздухоснабжения и в цилиндры ДВС - гидравлический удар при пуске ДВС, в лучшем случае коррозия деталей, возможность «размораживания» ОНВ, необходимость дополнительного водяного насоса, если только ОНВ не охлаждается водой системы охлаждения двигателя.

Преимущества и недостатки воздухо-воздушных ОНВ:

Возможность получения сравнительно низких температур наддувочного воздуха (на 10-20 градусов выше температуры охлаждающего воздуха - окружающей среды); безопасность для двигателя в случае неплотностей системы.

Недостатки: большие, чем при водо-воздушной системе ОНВ, размеры системы.

Возможные схемы систем охлаждения

1 ВВ: воздух-воздух; 1.1 ВВ-Вд: с использованием вентилятора системы охлаждения ДВС;

1.1.1 ВВ-Вд1 - ОНВ расположен перед фронтом радиатора системы охлаждения ДВС;

1.1.2 ВВ-Вд2 - ОНВ расположен параллельно радиатору;

1.2 ВВ-Ва: вентилятор с автономным приводом;

1.2.1 ВВ-Ваэ - вентилятор с электрическим приводом;

1.2.2 ВВ-Ват - вентилятор с турбоприводом;

1.2.3 ВВ-Вам - вентилятор на маховике ДВС и др;

1.3 Вв-Э - перемещение охлаждающего воздуха эжектором отработавших газов ДВС;

2 ВЖ - воздух-жидкость;

2.1 ВЖ-Нд - используется жидкостный насос системы охлаждения ДВС;

2.1.1 ВЖ-Нд1 - ОНВ размещен во впускном коллекторе ДВС;

2.1.2 ВЖ-Нд2 - ОНВ выполнен в виде отдельного агрегата, соединенного с системой охлаждения ДВС;

2.2 ВЖ-На - с автономным насосом жидкости ОНВ;

2.3 ВЖ-К - комбинированная схема.

Примеры:

ВВ-Вд: Большинство автомобильных и тракторных ДВС;

ВВ-Ват: дизель «Максидан» фирмы МАК (США);

ВВ-Вд2: дизели воздушного охлаждения фирмы Дейц (ФРГ), 8ДВТ-400 (Россия); ВВ-Нд1: дизели Джон-Дир; Камминз (США);

ВВ-Нд2: дизели типа ЯМЗ8423, дизели МТУ (ФРГ);

ВЖ-На: дизель «Пилстик РАЧ-185» (автомобиль «БелАЗ»);

Для улучшения охлаждения компрессора и наддувочного воздуха компрессор размещается впереди турбокомпрессора навстречу потоку воздуха от радиатора, оребряется выходной патрубок компрессора (схема НАТИ).

Известны системы ОНВ, в которых надувочный воздух охлаждается в воздушно-жидкостном охладителе жидкостью, которая в то же время охлаждает перепускаемые отработавшие газы, направляемые в цилиндр двигателя с целью снизить максимальные температуры сгорания и образование токсичных оксидов азота.

Для уменьшения степени охлаждения надувочного воздуха при низких значениях могут быть установлены самодействующие клапаны, перепускающие надувочный воздух в обход охладителя непосредственно в цилиндры двигателя.

Особенности расчета ОНВ

Расчет рекуперативных ОНВ ведется по методике, принятой в общем курсе «Теплообменные аппараты». Подробнее о расчетах ОНВ, их конструкции, методах изготовления читается в специальном курсе.

При расчете ОНВ исходными данными являются: расход наддувочного воздуха, давление наддува, необходимая степень охлаждения или температура наддувочного воздуха на входе в двигатель, допустимые потери давления теплоносителей (наддувочного воздуха и охлаждающей жидкости или воздуха). Искомой величиной является поверхность охладителя и затраты энергии на охлаждение. Кроме того, задаются рядом параметров как то: допускаемые скорости движения теплоносителей, геометрические размеры элементов теплопередающей поверхности (диаметр и длина труб, размеры оребрения, толщина пластин и т.д.), характеристики материала теплообменных поверхностей при рабочей температуре, некоторые габаритные размеры ОНВ. Ориентировочные значения коэффициентов теплопередачи от наддувочного воздуха к теплопередающей поверхности составляют 23-315 Вт/м²К при движении воздуха в межтрубном пространстве и 58-230 Вт/м²К при движении под давлением в трубах. Коэффициент теплоотдачи при движении воды в трубах равен 3500-8150 Вт/м²К. Скорость движения пресной воды не выше 2,5-3,0 м/с, морской не выше 1.5 м/с. Скорость движения наддувочного воздуха в охладителе при давлении воздуха не выше 0,5 МПа — 18-25 м/с, т.к. при этом достигаются достаточно высокие значения коэффициента теплопередачи при относительно низком гидравлическом сопротивлении.

Потери давления наддувочного воздуха должны быть не более 0,004–0,005 МПа. Для обеспечения нормального протекания рабочего процесса в дизеле температура наддувочного воздуха на входе в цилиндр должна быть не ниже 50-60°С.

Сопоставление различных ОНВ можно вести по удельному энергетическому коэффициенту:

- удельная энергия, затраченная на перемещение теплоносителя;

W- условный («водяной») эквивалент (произведение удельной теплоемкости на массовый расход теплоносителя);

α - коэффициент теплоотдачи;

- это коэффициент компактности (отношение теплопередающей поверхности к объему теплообменника);

- площадь живого сечения;

- это количество теплоты, снимаемой с единицы объема заданной поверхности и отнесенное к удельной энергии, которая затрачивается на перемещение теплоносителя в течение 1с на 1 м² поверхности.

Другими словами:

отношение отведенной теплоты к затратам энергии на перемещение наддувочного воздуха и охлаждающей среды.

Конструкция ОНВ

В ОНВ типа ВЖ используют матрицы (сердцевины) трубчато-ленточные, трубчато-пластинчатые, трубчато-ребристые. При этом внутри гладких трубок протекает охлаждающая жидкость, а снаружи, в межтрубном пространстве, - наддувочный воздух.

ОНВ состоит из бачков (коллекторов) с входным и выходным патрубками, сердцевины (матрицы), корпуса. В качестве корпуса может быть использован впускной коллектор ДВС.

ОНВ типа ВВ используют матрицы трубчатого типа (трубчато-ребристые, трубчато-пластинчатые, трубчато-ленточные), либо пластинчато-ребристые. Внутрь трубок (плоских или круглых) устанавливают волнистые ленты — гладкие или перфорированные отверстиями или жалюзями. Межтрубные ленты также выполняют волнообразными с выштамповками. Материал — латунь, сталь, медные сплавы. Наиболее перспективны ОНВ системы ВВ из алюминиевых листов – плакированный алюминий. Соединение деталей - пайка в воздушных или вакуумных печах.

Турбодетандерное охлаждение

Температура, до которой можно снизить температуру заряда после ОНВ, определяется температурой окружающей среды или, точнее, температурой охлаждающего агента ОНВ (Т_о). При Т_о порядка 40-50°С получить температуру заряда T_s ниже 55-65°С практически невозможно. Низкие температуры, порядка 20°С, могут потребоваться для предотвращения детонации в газовых ДВС. Получить температуру заряда ниже температуры окружающей среды можно при турбодетандерном охлаждении.

Схема турбодетандерной системы охлаждения

наддувочного воздуха.

Приближенный баланс работ системы (не учитывая потери энергии в холодильниках X₁ и X₂ и трубопроводах) :

В рассматриваемой системе можно получить температуру заряда на входе в цилиндры ДВС T_s ниже температуры окружающей среды To. При этом давление, подаваемое турбокомпрессором P_к должно быть значительно выше давления наддува P_s, а это требует повышенного давления перед турбиной турбокомпрессора Pт_тк , соответственно высокого давления на выходе газов из цилиндров ДВС (противодавления выпуска) и повышенных механических потерь (пониженный механический к.п.д. ДВС).

Диаграммы процесса газообмена в ДВС с турбодетандерной системой охлаждения наддувочного воздуха

Снижение температуры воздуха в охлаждающей турбине турбодетандера будет тем больше, чем больше давление воздуха перед ней превышает давление наддува.

Практически система турбодетандерного охлаждения наддувочного воздуха на дизелях не применяется.

Способ Миллера («внутреннее охлаждение»)

Способ предложен Франком Миллером (примерно в 1957г); применим только для четырехтактных ДВС и заключается в расширении заряда в цилиндре в конце хода впуска за счет раннего закрывания (до Н.М.Т.) впускного клапана. Для обеспечения наддува давление, создаваемое компрессором, должно быть выше требуемого давления наддува.

Диаграмма идеального цикла

Диаграмма реального цикла двигателя с газотурбинным наддувом и охлаждение воздуха по способу Миллера.

Рассматриваемый способ охлаждения позволяет осуществить в поршневом ДВС цикл, у которого степень сжатия меньше степени расширения. Такой цикл имеет более высокий термический к.п.д., чем известные циклы Отто, Дизеля, Тринклера. Однако при этом необходима избыточная затрата работы на привод компрессора, обеспечивающего давление выше требуемого давления наддува.

Целесообразным кажется использование способа Миллера с внешним охладителем наддувочного воздуха.

Возможно использование способа Миллера в бензиновых ДВС с турбонаддувом и рекуперативным ОНВ. Способ позволит снизить температуру .

Цикл, у которого степень сжатия меньше степени расширения в четырехтактном ДВС можно получить и другим путем, если закрывать впускной клапан позже нижней мертвой точки, уменьшив тем самым ход сжатия. Такой цикл называется циклом Аткинсона или Отто-Аткинсона (при подводе теплоты при постоянном объеме).

Двигатель Mazda-Miller автомобиля «Xedos9» имеет степень сжатия меньше примерно на 70% степени расширения. Подача воздуха осуществляется приводным винтовым компрессором. Геометрическая степень сжатия 10, фактическая значительно ниже, что позволяет использовать на бензиновом ДВС бензин с «обычным» октановым числом, не опасаясь детонации. Обычно в бензиновых ДВС при применении наддува приходится снижать степень сжатия до 7-8 (против ~10 без наддува). Название двигателя со словом Миллер не совсем правомерно.