Системы турбокомпаунда

Реферат на тему: «Системы турбокомпаунда»

Экономия энергетических ресурсов относится к главнейшим задачам транспортного и энергетического машиностроения. Одним из путей ее решения является создание высокоэкономичных двигателей с эффективными энергосберегающими системами. В настоящее время основными двигателями судов морского транспортного флота являются малооборотные дизели (МОД) ведущих дизелестроительных фирм и их лицензиатов. Так, фирма MAN B&W выпускает 25 моделей МОД (профамма 2010 года), которые в целом могут обеспечить номинальную мощность от 1100 до 68640 кВт и номинальную частоту вращения от 57 до 250 мин'. Однако применение современных МОД вызывает проблему обеспечения потребностей ходового режима судна в тепловой и электрической энергии за счет вторичных энергоресурсов, т.е. без дополнительных затрат топлива. Уменьшение теплоты отработавших газов МОД до 27 - 29 % (от теплоты сгорания топлива) и их температуры до 235 - 270''С делает малопригодным традиционные системы глубокой утилизации. Комплексные системы, использующие теплоту отработавших газов, надувочного воздуха и пресной воды, охлаждающей втулки цилиндров МОД, повышают теплоиспользование в дизельной установке, но и значительно её усложняют. Это связанно с применением более крупных и дорогих утилизационных котлов, паровых турбин, дополнительного теплообменного оборудования и необходимости их оснащения разветвленными системами автоматики. В качестве альтернативы традиционным и комплексным системам могут рассматриваться валогенераторные, турбокомпаундные и комбинированные (валогенератор - турбокомпаунд) системы, производство которых освоено зарубежными фирмами. Многообразие вариантов использования вторичных энергоресурсов главных двигателей и способов выработки тепловой и электрической энергии на судах не позволяет заранее утверждать какой из них будет лучшим в тех или иных условиях. Поэтому выбор для конкретного судна наиболее целесообразного варианта энергосберегающей системы и ее параметров является актуальным и относится к классу оптимизационных проектировочных задач. Эффективность энергосбережения на судне во многом определяется как типом систем утилизации, так и реальными условиями эксплуатации, к которым, прежде всего, относятся режимы работы судна и главного двигателя (ГД), а также параметры окружающей среды. Морские транспортные суда эксплуатируются в различных климатических зонах и часто, с целью экономии топлива, на экономических ходах с соответственно низкими коэффициентами использования мощности главного двигателя. По данным ЦНИИ МФ эти коэффициенты для танкеров и сухогрузов составляют 57 - 82 % . Поэтому реальные эксплуатационные режимы судовых дизелей являются долевыми. Изменение условий эксплуатации отражается на экономичности двигателя и потенциале его вторичных энергоресурсов, уровне тепло- и электропотребления на судне и, следовательно, на параметрах и характеристиках энергосберегающих систем. При этом оборудование таких систем будет работать на нерасчетных режимах с соответствующим изменением эффективности и надежности. Это положение требует комплексного исследования статических характеристик утилизационных систем, которые до сих пор не были исследованы с точки зрения рационального перераспределения энергетических потоков, направленного, прежде всего, на повышение эффективности МОД и его энергосберегающих систем. Поэтому задача поддержания работоспособности и эффективности энергосберегающих систем на долевых режимах МОД и при изменении параметров окружающей среды является актуальной.
В настоящее время основными двигателями судов морского транспортного флота являются малооборотные дизели (МОД) ведущих дизелестроительных фирм и их лицензиатов. Это обусловлено высокими КПД таких двигателей, а также широкими диапазонами мощностей и частот вращения, способными удовлетворить требования большинства заказчиков и судовладельцев.

Турбокомпаунд позволяет получить дополнительную мощность, преобразуя «теряемую» энергию
Может показаться, что турбокомпаунд, вопреки законам физики, создает энергию из ничего. Он работает, преобразуя и используя энергию, которая в противном случае была бы потеряна или израсховована впустую. Это классический пример рециркуляции. Вместо того, чтобы выбрасывать «отработанную энергию» в выхлопную трубу, вторая турбина, установленная за турбокомпрессором, приводимая в действие выхлопными газами, отбирает из этих газов дополнительное тепло.
Вторая турбина (турбина турбокомпаунда) вращается с заданной скоростью. Это движение передается через турбинные шестерни и гидравлическую муфту, а затем через шестерни газораспределительного механизма на коленчатый вал. Передача вращения на них создает полезную прибавку крутящего момента, что отражается и на изменении крутящего момента на маховике. Такая дополнительная тяга возникает без увеличения расхода топлива. 
Двигатель демонстрирует отличную приспособляемость к различным режимам работы. Вращение коленчатого вала дополняется постоянной передачей усилия от турбокомпаунда, что способствует сглаживанию пульсации нагрузки, вызываемой периодическими тактами сгорания в цилиндрах. Благодаря этому двигатель работает мягче.

Рис. 1. Схема работы турбокомпаунда

1. Выхлопные газы поступают из выпускного коллектора двигателя при температуре, близкой к 700° С.

2. Выхлопные газы используются для привода традиционного турбокомпрессора, в котором энергия используется для повышения эффективности сгорания топлива и, как следствие, мощности и крутящего момента двигателя. Затем выхлопные газы, вместо того, чтобы впустую уйти в атмосферу, направляются в блок турбокомпаунда. 

3. На входе в блок турбокомпаунда выхлопные газы сохраняют высокую температуру (около 600° С); их энергия используется для разгона второй турбины примерно до 55000 об/мин. На выходе из этой турбины температура газов снижается приблизительно до 500°С, после чего они отводятся через обычную систему выпуска и глушитель.

4. Вращательное движние турбины передается через несколько понижающих передаточных устройств — механические передачи и гидравлическую муфту. Гидравлическая муфта согласовывает различные частоты вращения маховика и турбины турбокомпаунда. 

5. К моменту передачи вращательного движения на маховик, частота вращения снижается примерно до 1900 об/мин.

6. Вращательный момент на маховике увеличивается, и вращение маховика становится более устойчивым и плавным. 

Глобальная задача, стоящая перед человечеством – рациональное использование сырьевых и энергетических ресурсов. О важности решения данной задачи писали сотни авторов, в предлагаемой статье представлен один из перспективных вариантов энергосбережения в поршневых двигателях.

Одним из показателей эффективности мероприятий по энергосбережению является полнота использования энергетического потенциала топлива. На практике показателем качества топливоиспользования в энергетических установках является их эффективный

где Ne – эффективная мощность установки, кВт;

Вч – часовой расход топлива, кг/ч;

Qн – низшая теплота сгорания топлива, МДж/кг.

Традиционным способом повышения эффективного КПД двигателей внутреннего сгорания является совершенствование рабочего цикла двигателя, направленное на увеличение его термического КПД. С этой целью модернизируются системы топливоподачи, повышается энергетика впрыска топлива, оптимизируются процессы газообмена, предлагаются новые конструкции камер сгорания и способы смесеобразования. Однако совершенствование рабочего цикла ограничено максимально допустимыми давлением и температурой. Первое определяет механические нагрузки на детали двигателя, а вторая – термические нагрузки, условия смазывания и эмиссию токсичных веществ с отработавшими газами. В последние годы в связи с ужесточением экологических нормативов именно токсичность отработавших газов является главным фактором, ограничивающим максимальную температуру цикла и, как следствие, термический КПД цикла.

Развитие экологических нормативов и стандартов для транспортных двигателей идет по пути ужесточения выбросов нормируемых токсичных компонентов. Для выполнения этих норм производители двигателей вводят ряд мероприятий, например таких как повышение энергоемкости топливоподающей аппаратуры, увеличение степени сжатия и относительного диаметра горловины камеры сгорания при значительном уменьшении степени повышения давления при сгорании, в основном за счет уменьшения угла опережения впрыска ниже значения, соответствующего минимальному расходу топлива. При этом существенно ухудшается топливная экономичность и увеличивается количество СО2 в отработавших газах.

Рис. 2. Принципиальная схема турбокомпаунда

Средством улучшения топливной экономичности может быть более полное использование энергии отработавших газов. Традиционным и хорошо разработанным способом утилизации отработавших газов является их использование в системах газотурбинного наддува. Сейчас практически все производимые и проектируемые дизели оснащаются такими системами. Термин «комбинированные двигатели», подразумевающий сочетание поршневой части и газотурбинной установки, прочно вошел в теорию и практику двигателестроения. Существует несколько типов хорошо зарекомендовавших себя систем газотурбинного наддува: изобарный, импульсный, регистровый, двухступенчатый, с охлаждением надувочного воздуха, гипербар и др.

Одним из перспективных путей использования отработавших газов является применение систем типа турбокомпаунд.

В переводе с английского слово compound означает «сложный», «составной». Турбокомпаунд – это система, которая использует энергию отработавших газов и служит для повышения КПД двигателя. При ее реализации в выпускном тракте двигателя за турбиной турбокомпрессора расположена еще одна турбина, называемая силовой. Отработавшие газы поршневой части раскручивают силовую турбину, а она через систему шестерен и гидромуфту передает крутящий момент на силовой вал, соединенный с потребителем.

Первоначально компаундный метод употребляли применительно к паровым двигателям. Компаунд-машины имели два цилиндра разных диаметров – высокого и низкого давления,– в которых последовательно сжимался пар. Это позволяло более эффективно использовать энергию пара и увеличивать мощность агрегатов. Вначале такие двигатели применялись только на судах и в промышленности.

Про компаундирование – уже применительно к двигателям внутреннего сгорания – вспомнили в 50-х годах. Цель применения турбонагнетателей любого типа – максимальное использование энергии отработавших газов и преобразование ее в механическую работу – может быть наилучшим образом достигнута с помощью турбокомпаунда. Согласно данному выше определению турбокомпаунд представляет собой комбинированный двигатель с подключенной рабочей турбиной, которая передает вырабатываемый крутящий момент через зубчатую передачу на силовой вал.

Измерения показали, на примере Scania благодаря турбокомпаунду сохранила 20% энергии отработавших газов. Тепловая энергия, которой обладали отработавшие газы, оказалась достаточной, чтобы ускорять силовую турбину до 55 тыс. об/мин. Такая частота вращения сначала снижалась зубчатой передачей, а затем через гидравлическое соединение синхронизировалась с частотой коленчатого вала. Силовая турбина в двигателе была соединена с коленчатым валом дизеля двумя рядами косозубых шестерен и промежуточной гидромуфтой. Многоступенчатость шестеренного привода объясняется тем, что частота вращения вала силовой турбины достигает 50-55 тыс. мин-1, а коленчатый вал вращается с частотой до 2 тыс. мин-1. Задачей гидромуфты является компенсация постоянного изменения оборотов двигателя и снижение крутильных колебаний. Пройдя через турбокомпрессор, отработавшие газы попадают на силовую турбину и, теряя очередные 100 °С температуры, раскручивают рабочее колесо. Так осуществляется дополнительная передача крутящего момента на коленчатый вал дизеля. Высокий КПД установки был достигнут также за счет использования первого нагнетателя. Этот нагнетатель имел на входе дополнительный воздушный клапан (рециркуляционный канал), который обеспечивал стабилизацию запорной и насосной областей, благодаря тому что воздух на насосной границе устремлялся со стороны давления к стороне впуска компрессора и на запорной границе впускное сечение входного устройства к колесу компрессора увеличивалось.

В ДВС, оснащенном турбокомпаундом, дополнительные потери теплоты с отработавшими газами, обусловленные уменьшением степени повышения давления при сгорании для снижения выбросов оксидов азота, частично возвращаются силовой турбиной коленчатому валу. Кроме того, дополнительное увеличение затрат на внутренние потери в двигателе, связанные с сопротивлением истечению отработавших газов через силовую турбину в зоне малых нагрузок и холостого хода, способствует активному снижению эмиссии несгоревших углеводородов и твердых частиц в отработавших газах на этих режимах работы двигателя.

Перспективным направлением развития рассматриваемых систем является электрический турбокомпаунд (ЕТС), в котором подключаемая силовая турбина заменяется электродвигателем. Однако это требует изменения конструкции самого турбонагнетателя; его турбина, как и раньше, должна работать за счет газов, отводимых от поршневой части двигателя, а на валу ротора должен быть установлен миниатюрный электрогенератор. Этот электрогенератор должен соединяться с электродвигателем (силовой турбиной), который может функционировать и как двигатель, и как генератор. Как двигатель он используется для привода коленчатого вала, а как генератор повышает мощность торможения двигателя тем, что избыточная энергия, поступающая от турбонагнетателя, с помощью размещенного на валу ротора малого электромотора подводится к электродвигателю, связанному с коленчатым валом. Такой вариант турбокомпаунда был запатентован в 1995 г. его испытания продолжаются.

Работа турбокомпаунда — пример рециркуляции. Вместо того, чтобы просто «выбросить» отработанную энергию, турбина, расположенная за турбокомпрессором и приводимая в действие выхлопными газами, забирает у этих газов тепло.

Прежде чем говорить о столь неоднозначном средстве модернизации транспортного двигателя, как турбокомпаунд, необходимо вспомнить о некоторых принципиальных особенностях работы двигателей внутреннего сгорания. К их числу относится непонятное, с точки зрения теоретиков двигателестроения, свойство мотора работать под нагрузкой более эффективно, чем при ее отсутствии. Раз за разом, но практика эксплуатации транспортных двигателей неизменно демонстрирует, что при отсутствии нагрузки эффективность сгорания топливной смеси (а соответственно, и КПД мотора) резко снижается. Убедиться в этом несложно воочию. Стоит только обратить внимание на выхлоп у автомобиля при движении под гору или в режиме «торможение двигателем». И без специального оборудования в случаях какого-либо дополнительного «содействия» выполнению мотором работы видно, что полнота сгорания топлива явно страдает от недостатка нагрузки.

Надо сказать, что эта особенность транспортного двигателя вносит немалую сумятицу в стройные ряды положений теории двигателей. Причина тому - явное несовпадение имеющих на практике место фактов с основополагающим утверждением теории, гласящей, что процесс преобразования энергии при сгорании топлива в двигателе не зависит от условий выполнения работы. Говоря иначе, по теории двигателей эффективность сгорания топливной смеси ни при каких условиях не может зависеть от сопротивления на валу двигателя. Практика же использования моторов показывает, что это абсолютно не так. Впрочем, это несовпадение ни в коей мере не влияет на приоритет учета требований теоретических положений о работе мотора при решении задач его модернизации или разработки новых конструкций.
Принцип главенства теории двигателей над практикой их эксплуатации при этом все же не в состоянии изменить сложное положение дел при разработке новых, альтернативных конструкций моторов. Из-за непокорности моторов в деле соответствия представлениям ученых об их работе при разработке перспективных гибридных конструкций моторов инженерам приходится использовать сложные технические решения там, где, казалось бы, достаточно использовать простые конструкции
Возвращаясь к турбокомпаунду, стоит отметить, что, не взирая на различие типов используемых источников энергии (для этого устройства используется тепловая энергия выхлопных газов вместо электрической энергии), его основная функция практически ничем не отличается от функции вспомогательного электрического агрегата в гибридных силовых установках. Так же, как и в гибридных моторах, турбокомпаунд призван увеличить мощность и крутящий момент поршневого двигателя, снизить расход топлива и выбросы вредных газов за счет передачи на вал двигателя дополнительного крутящего момента.

Дело в том, что в соответствии со всеми канонами принято считать, что принцип действия турбокомпаунда основан на преобразовании тепловой энергии отработавшего в цилиндрах двигателя выхлопа во вращательное движение вала турбины. Эффективность же турбокомпаунда, в соответствии с логикой этого определения, обусловливается передачей дополнительного крутящего момента от вращающегося вала турбины на вращающийся вал двигателя. Именно таким образом определяют турбокомпаунд все технические справочники и энциклопедии. Именно так объясняют эффект его применения и конструкторы Scania - специалисты компании, которая интенсивно использует турбокомпаунд в конструкциях двигателей своего производства. По их мнению, вращая вал дополнительной турбины, выхлопные газы через соединенный с коленвалом вал этой турбины передают крутящий момент, чем и увеличивают эффективность работы мотора.

Как же все-таки работает турбокомпаунд? При сгорании топлива современный дизель преобразует в движение 44% от общего количества выделившейся тепловой энергии. Оставшаяся часть теряется вместе с отработавшими газами (примерно 35%) и уходит в систему охлаждения (21%). Температура отработавших газов на выходе из камеры сгорания составляет порядка 700°С. В моторе с турбонаддувом после прохождения через турбокомпрессор эта температура падает до 600°С. Потеря 100°С означает, что часть энергии ушла на вращение турбины.

Инженеры решили использовать потенциал этого уже отработавшего, но все еще горячего выхлопа. С этой целью они разместили после традиционного турбонагнетателя еще одну турбину - силовую. Она соединена с коленчатым валом дизеля двумя рядами прямозубых шестерен и промежуточной гидромуфтой. Необходимость многоступенчатой конструкции шестеренного привода понятна. Турбина ежеминутно делает 50 тыс. оборотов, а коленвал вращается с частотой до 2 000 об/мин. Что касается гидромуфты, то инженеры увидели ее назначение в компенсации постоянного изменения оборотов двигателя и снижении крутильных колебаний. Пройдя через турбокомпрессор, отработавшие газы попадают на силовую турбину и, теряя очередные 100°С температуры, раскручивают рабочее колесо. По заверениям специалистов Scania, именно это движение вала силовой турбины и обеспечивает передачу дополнительного крутящего момента на вал двигателя. После того, как высокие обороты дополнительной силовой турбины понижаются шестернями привода, полученный высокий крутящий момент увеличивает мощность двигателя за счет того, что ранее просто-напросто вылетало в трубу.
Если учесть, что при снижении оборотов вала двигателя объем отработавших газов также снижается (а это видно по резкому снижению противодавления в выпускной системе), то, соответственно, при уменьшении подачи топлива и снижении оборотов вала двигателя угловая скорость вала силовой турбины также интенсивно снижается. Падают обороты двигателя, падает производительность силовой турбины, соответственно, нет дополнительного крутящего момента от вала силовой турбины. Слишком мало выхлопа производит двигатель при работе на малых и средних оборотах для того, чтобы силовая турбина могла увеличить момент, развиваемый двигателем.

Выводы при таком рассмотрении работы турбокомпаунда, на первый взгляд, кажутся парадоксальными. Известно, что на практике его применение обеспечивает положительный эффект.
Давайте вспомним, что происходит с двигателем, когда нагрузка растет интенсивнее, чем угловая скорость вала. Из практики известно, что в этом случае возрастает (вплоть до детонации) жесткость сгорания топливной смеси. Рост жесткости сгорания свидетельствует об увеличении скорости горения топлива и… росте количества получаемой при сгорании энергии. Вот он, тот самый потенциал, использование которого позволяет увеличить эффективность работы двигателя без увеличения расхода топливной смеси. А для того чтобы эффективно управлять этим процессом, знать и учитывать роль фактора нагрузки просто необходимо. Но именно это и не пускает в практику теория двигателей.

Как Scania добилась от турбокомпаунда эффективной работы после первых неудач 1991 года? Очень просто. Путем разработки более совершенной системой впрыска HPI (High Pressure Injection).

Суть работы новых насос-форсунок заключается в том, что управление впрыском в этой системе осуществляют посредством контроля за количеством дизельного топлива, подаваемого в управляющий канал. Чем больше топлива под давлением 18 бар поступит в насос-форсунку по управляющему каналу, тем раньше начнется впрыск солярки в камеру сгорания под давлением 1500 бар. В конструкции насос-форсунки сохраняется традиционный плунжер, приводимый от кулачкового вала, а "общее руководство" топливной аппаратурой осуществляет компьютер EDC (Electronic Diesel Control). Таким образом, новая система впрыска позволяет избежать ситуации, когда увеличение жесткости сгорания топлива и рост количества выделяющейся при этом энергии заканчивается детонацией и неполным сгоранием топлива.

Для перспектив развития направления большее значение имеет то, что турбокомпаунд уже нашел себе применение. Пусть теоретики себе спорят. Для практиков все уже давно решено. Тем не менее именно от того, какое объяснение принципов работы турбокомпаунда будет принято, зависит и перспектива развития управления двигателем через контроль над нагрузкой.

В заключение можно отметить, что введение в конструкцию судового и не только дизеля силовой турбины позволяет обеспечить высокую топливную экономичность при низкой шумности и малых выбросах токсичных компонентов с отработавшими газами, а также создает предпосылки для дальнейшего форсирования двигателя по среднему эффективному давлению. Если КПД дизеля с турбонаддувом – 40%, то турбокомпаунд позволил увеличить этот показатель до 46%. Возможности оптимизировать систему двигательнагнетатель с целью повышения ее энергетической эффективности и экологической безопасности далеко не исчерпаны, работы в этом направлении необходимо продолжать.

Литература

1. Седельников Г.Д. Энергосберегающие системы малооборотных дизелей. - Владивосток: Дальнаука, 2003. - 230 с.

2. Курзон А.Г., Седельников Г.Д. Оптимизация параметров и схем утилизации теплоты дизельных установок // Двигателестроение. - 1991. -№10-11.-С. 15-19.

3. Курзон А.Г., Седельников Г.Д. Оценка эффективности различных схем утилизации теплоты уходящих газов в судовых дизельных установках // Судостроение. - 1995. - С. 9-12.

4. Седельников Г.Д., Попов А.Ю. Характеристики энергосберегающих систем на режимах долевой мощности малооборотного дизеля // Дви-гателестроение. - 2002. - № 1. - С. 26-28.

PAGE 15

Системы турбокомпаунда