Повышение экономических показателей дизеля КамАЗ-740 применением импульсного газотурбинного наддува

Содержание

Реферат

Пояснительная записка 89 листов, 19 рисунков, 2 таблицы, 20 формул, 17 источников

Ключевые слова: импульсный газотурбинный наддув, турбокомпрессор, выпускной коллектор, турбина, мощностные и экономические показатели, пульсация

Объектом исследования является двигатель КамАЗ-740 стандартной комплектации

Цель работы: На основе анализа способов форсирования двигателей и схем наддува, разработать конструктивные мероприятия по применению импульсного газотурбинного наддува на дизеле КамАЗ-740 с целью повышения его экономических показателей

Применен импульсный газотурбинный наддув на двигателе КамАЗ-740 с целью повышения экономических и экологических показателей, путём установки турбокомпрессора ТКР-7Н и совершенствования конструкции приборов. За счет применения данного способа улучшаются пусковые свойства, повышаются мощностные показатели, а так же снижение токсичности отработавших газов

Введение

Эффективность вооруженной борьбы в современных условиях в значительной степени зависит от быстрого маневра силами и средствами, совершаемого как с целью нанесения неотразимого удара, так и для обеспечения собственной живучести. Поэтому способность боевых частей и тыловых органов к быстрой передислокации, т. е их подвижность, стала необходимым качеством Сухопутных войск. Это качество обеспечивается полной моторизацией вооруженных сил, и в частности достигается широким использованием автомобильной техники, которая применяется не только для транспортировки личного состава и материальных средств, но и как шасси для различных видов вооружения. Современные образцы автомобильной техники, представляют собой сложные объекты, эффективность которых зависит от совершенства многих конструктивных элементов, входящих в их состав. Однако, к числу наиболее ответственных агрегатов и приборов, играющих определяющую роль в формировании необходимых тактико-эксплуатационных свойств колёсных и гусеничных машин, в первую очередь относится силовая установка, осуществляющая их энергетическое обеспечение

Современные двигатели колесных и гусеничных машин представляют собой слаженные технические устройства, воплотившие в себе многие последние достижения науки и инженерной мысли. В результате длительного периода развития они достигли достаточно высокой степени совершенства и в настоящее время обладают приемлемыми мощностными, экономическими и экологическими показателями, а также достаточно высокой надежностью

От степени совершенства и технического состояния двигателя непосредственно зависит подвижность машин, их запас хода по топливу, надежность к живучести и готовность к функционированию.Силовая установка является составной частью системы осуществляющей энергетическое обеспечение объекта, и имеет прямые связи со всеми внешними факторами

Вследствие этого в основу разработки военно-технических требований к двигателю и его системам, следует положить программную цепь применения в автомобильной технике в Вооруженных силах. Которая в наиболее общем виде состоит в совершенной транспортировке личного состава, вооружения и материальных средств в заданный район в любых дорожно-метеорологических условиях

Для того чтобы обеспечить достижения этой цели, армейская автомобильная техника должна обладать определёнными тактико-техническими данными

Существенную роль в обеспечении боевой готовности войск играет так же время необходимое для приведения силовых установок в рабочее состояние. Перечисленные свойства силовых установок обуславливают их соответствие прямому назначению источника механической энергии и связаны с группой основных требований, которые можно назвать функциональными. Следует, однако, иметь ввиду, что обеспечение этих требований и достижение поставленной цели лимитируется рядом ограничительных условий

Однако важность силовой установки играет большую роль в автомобилестроении

Чаще всего на военной автомобильной технике используются дизельные двигатели, которые зарекомендовали себя как хорошая силовая установка, соответствующая техническим требованиям, предъявляемым к двигателям военной автомобильной техники

На базе этого ведутся работы по повышению мощностных, экономических и экологических характеристик двигателей. Применяются различные методы по усовершенствованию двигателей, используются различные виды наддува, охладители надувочного воздуха, различные виды смесеобразования, конфигурации поршней, камер сгорания и многие другие способы повышения технических показателей двигателя

Одним из наиболее эффективных методов форсирования рабочего процесса дизелей является наддув с использованием энергии выпускных газов – газотурбинный наддув. С помощью газотурбинного наддува удается повысить мощность на 35 – 40% при почти неизменной массе и габаритах базового двигателя и без каких-либо существенных изменений в его конструкции

В отличие от многих других методов форсирования, повышение мощности при турбонаддуве происходит с одновременным повышением экономичности дизеля

Анализ развития мирового двигателестроения показал, что среди тепловых двигателей, дизельные двигатели в широком диапазоне изменения мощности и частоты вращения коленчатого вала двигателя преобразуют химическую энергию топлива в механическую работу с наивысшим КПД, они примерно на 50% экономичней карбюраторных двигателей, что заменит карбюраторные двигатели в грузовом автомобилестроении и получат более широкое распространение в легковом, чем в настоящее время

Целью данного проекта является улучшение системы выпуска отработавших газов дизеля КамАЗ-740 применением наддува

Проектируемый двигатель должен без конструктивных изменений обладать улучшенными характеристиками показателей эффективной мощности, удельного эффективного расхода топлива, крутящего момента. Применение системы наддува является самым эффективным методом для решения поставленной задачи

1 Анализ военно-технических требований к силовым установкам армейских машин

Массовое внедрение автомобильной техники чрезвычайно усилило зависимость войск от технико-эксплуатационных свойств и технического совершенства машин. Отсюда, чтобы наиболее эффективно обеспечить боевые действия, колесные и гусеничные машины, находящиеся на вооружении, должны отвечать комплексу военно-технических требований, вытекающих из задач их оперативно-тактического использования на поле боя и учитывающие специфические условия армейской эксплуатации

Силовая установка колесной или гусеничной машины должна:

- иметь достаточную мощность, запас крутящего момента и приемистость для обеспечения высоких динамических качеств машины;

- обладать высокой экономичностью на номинальном и частичном режимах, чтобы обеспечить, возможно, больший запас хода по топливу и расход топливных ресурсов;

- иметь высокую надежность, характеризующуюся достаточным ресурсом и безопасностью при минимальных затратах на обслуживание и ремонт;

- требовать минимального времени для приведения в рабочее состояние, обладать высокими пусковыми свойствами;

- работать на недефицитных сортах горюче-смазочных материалов;

- допускать возможность работать на различных сортах топлива;

- допускать возможность быть многотопливной;

- иметь минимальную массу и габариты;

- обладать технологичной конструкцией: не требовать для изготовления уникального оборудования, дефицитного материала, иметь минимальную трудоемкость изготовления и сборки;

- быть приспособленной для транспортировки на всех видах транспорта

Помимо указанных, к силовым установкам, как и к любому объекту транспорта, предъявляются определенные эстетические, а также патентно-правовые требования

Для военно-экономической оценки целесообразно выделить группу свойств, характеризующих эффективность объекта. Под эффективностью силовой установки понимается способность вырабатывать заданную механическую энергию при минимальных материальных и экономических затратах, связанных с производством и эксплуатацией, а также при наименьшем отрицательном влиянии на функциональные показатели обеспечиваемого энергией объекта и готовность к использованию в специфических армейских условиях. В основу заданного уровня или оценки эффективности следует положить энергетические свойства двигателя, но при этом принимать во внимание расходы топлива и масла, материалоемкость и габариты, пусковые свойства, уровень стандартизации и унификации, трудоемкость изготовления, технического обслуживания и ремонта

На технико-экономическую эффективность значительное влияние оказывает надежность силовой установки. Это связано с тем, что отказы машин, выполняющих в войсках ответственные функции, могут затруднить решение боевых или транспортных задач и, кроме того, требуют затрат времени и средств на восстановление работоспособности. Силовая установка, по-прежнему играет определяющую роль в общей надежности автомобильной техники. Отказ двигателя или его систем полностью лишает машину основного свойства - подвижности, в то время как выход из строя других агрегатов может не иметь таких последствий

Существенную роль в обеспечении боевой готовности войск играет время, необходимое для приведения силовых установок в рабочее состояние и затрачиваемое на заправку горюче-смазочными материалами, контрольный осмотр, подготовительные операции, пуск и прогрев двигателя. Основной составляющей этого времени является продолжительность пуска двигателя, которая при низких температурах окружающей среды определяет готовность автомобильной техники. Поэтому пусковые свойства занимают одно из основных мест в структуре военно-технических требований к армейским машинам

Массовая эксплуатация автомобильной техники вынуждает считаться также с расходом эксплуатационных материалов и трудозатратами на техническое обслуживание и ремонт, которые в государственном масштабе приобретают все большие размеры. Поэтому в числе важнейших свойств, определяющих пригодность силовой установки, необходимо учитывать ее эксплуатационную технологичность и особенно топливную экономичность. Основными видами топлив, которое используется для современных двигателей, являются жидкие топлива нефтяного происхождения: бензин, керосин, дизельное топливо. Эти сорта хорошо освоены в технологическом отношении и, в основном, удовлетворяют требованиям осуществления рабочих процессов, обладая высокой теплотой сгорания, обеспечивают достаточную автономность автомобильной техники и позволяют получить необходимые запасы хода машин по топливу при относительно небольшой емкости топливных баков, заправка которых составляет 4-5% от полезного груза

Кроме того, повышение экологичности двигателей имеет существенное военно-техническое значение, так как обеспечивает увеличение запаса хода машин по топливу и сокращает объемы подвоза горюче-смазочных материалов. Чрезвычайно важным является также приспособленность двигателей армейских машин к работе на различных сортах топлива - многотопливность. Это свойство позволяет сделать парк машин не чувствительным к неизбежным изменениям баланса производства и потребления моторных топлив различного вида, а в армейских условиях уменьшает зависимость техники от перебоев в снабжении горюче-смазочными материалами определенных сортов

Использование силовых установок постоянно происходит при участии человека, который управляет ими, производит обслуживание и ремонт. Кроме того, на человека могут действовать токсичные вещества (СО, NO2) содержащиеся в отработавших газах, а также испаряющиеся из системы питания двигателя. Возрастающее насыщение атмосферы этими вредными выделениями представляет собой опасность для здоровья и жизни людей. Необходимо регламентировать эргономические свойства силовых установок, обусловленные удобством управления и обслуживания, а также связанные с воздействием на экологические факторы

Современные поршневые двигатели удовлетворяют не всем требованиям, предъявляемые к ним, как к силовым установкам. Поэтому конструкторы и исследователи занимаются дальнейшим совершенствованием конструкции двигателей внутреннего сгорания. Одним из наиболее эффективных методов форсирования рабочего процесса дизелей является наддув с использованием энергии выпускных газов. С помощью наддува удается повысить мощность на 35-50% при почти неизменных массе и габаритах базового двигателя и без каких-либо существенных изменений в его конструкции. Вследствие турбонаддува ухудшается приемистость дизелей при работе на таких переходных режимах, как трогание с места и разгон. Для устранения этих недостатков используют турбины, и компрессоры с регулируемыми размерами проточной части, вместо одного турбокомпрессора устанавливают несколько турбокомпрессоров меньших размеров, применяют системы с волновым давлением. Компоновка и конструкция дизеля грузового автомобиля зависит от его грузоподъемности. Так, для автомобилей с общей массой от 8 до 20 т, применяют рядные четырех и шестицилиндровые, а также V-образные шести и восьмицилиндровые дизели, как правило, с неразделенными камерами сгорания. Многие шести и восьмицилиндровые дизели имеют турбонаддув. В некоторых двигателях используют охлаждение наддувочного воздуха, например, двигатели фирмы «Volvo». Примером компоновки дизелей этой группы может служить автомобильный двигатель КамАЗ-740, который устанавливается в настоящее время на такие армейские автомобили как КамАЗ-

Двигатель КамАЗ-740 надежно работает в любое время года и суток, при температуре воздуха от -400С до +500С, при относительной влажности до 38%, при запыленности воздуха до 1,0 г/м3. Обладает высокой эксплуатационной надежностью при минимальной затрате сил и средств, а также времени на обслуживание

Кроме того, конструкция двигателя обеспечивает достаточную его живучесть в условиях использования ядерного оружия. В ряде случаев также предусматривается возможность частичного использования мощности двигателя на привод различных агрегатов и специальных устройств, как на стоянке машин, так и при ее движении. Одновременное выполнение всех требований, которые предъявляются к двигателям современных машин, являются весьма сложной задачей и технически невозможно, так как эти требования часто носят противоречивый характер. Поэтому каждое из требований в конкретных условиях имеет различное значение и различный удельный вес. И при проектировании двигателя к ним подходят дифференцированно

1.2 Увеличение рабочего объема двигателя

Рабочий объем обуславливает практически пропорциональное изменение веса заряда, поступающего в цилиндры, что соответственно сказывается на мощности двигателя

Рабочий объем двигателя может быть изменен как за счет размерности цилиндров, так и путем изменения их числа

Увеличение размерности цилиндра кроме непосредственного роста веса циклового заряда положительно влияет на рабочий процесс двигателя. Как уже отмечалось, увеличение диаметра цилиндра сопровождается уменьшением его относительной поверхности

В связи с этим тепловые потери, связанные с теплоотдачей в стенки рабочей полости, сокращаются, а теплоиспользование несколько улучшается

Кроме того, в цилиндре большой размерности уменьшается относительная утечка через поршневые кольца

Следует также отметить, что в цилиндре большой размерности легче организовать направленное движение воздушного заряда, а при впрыске топлива не возникает затруднений в согласовании дальнобойности факела с размерами камеры сгорания

Однако с увеличением размерности двигателя пропорционально возрастает масса шатунно-поршневой группы, а также удлиняется путь, который поршень проходит за каждый такт. Эти отрицательные особенности вызывают значительный рост сил инерции и средней скорости поршня и вынуждают снижать число оборотов коленчатого вала при увеличении размерности двигателя. Поэтому обеспечить повышение мощности двигателя, пропорциональное рабочему объему, обычно не удается, и литровая мощность двигателей с большим рабочим объемам, как правило, ниже, чем малогабаритных

Для создания требуемого мощностного ряда дизелей на базе цилиндра оптимальной размерности создаются унифицированные семейства 6, 8 и 12-цилиндровых двигателей

1.3 Повышение частоты вращения коленчатого вала

Теоретически, повышение числа оборотов должно было бы вызвать прямопропорциональное увеличение литровой мощности. Однако практически движение быстроходности вызывает рост газодинамических потерь при впуске свежего заряда, в связи, с чем коэффициент наполнения при высоком числе оборотов существенно понижается. Повышение скорости взаимного перемещения деталей кривошипно-шатунного механизма обеспечивает также рост механических потерь. Индикаторный КПД при высоком скоростном режиме может уменьшиться вследствие переноса части сгорания на линию расширения. Кроме того, увеличение числа оборотов двигателей ограничивается ростом тепловой и механической напряженности деталей двигателя

По этим причинам повышение быстроходности двигателей обязательно должно сопровождаться конструктивными мероприятиями, обеспечивающими увеличение коэффициента наполнения, индикаторного КПД и долговечности двигателя. Наиболее эффективными из этих мероприятий следует считать увеличение размеров клапанов, специальную настройку впускных и выпускных систем, расширение фаз газораспределения

Большинство современных двигателей развивает максимальную мощность при 2100-3000 мин-1 (применительно к дизельным двигателям)

Вследствии значительных трудностей, возникающих при увеличении числа оборотов, быстроходность двигателей армейских машин повышается довольно медленно

1.4 Переход на двухтактный цикл

При организации двухтактного цикла коэффициент тактности в уравнении мощности уменьшается с Z=2 до Z=1. Это означает, что за одно и тоже время совершается двойное количество рабочих циклов. Поэтому литровая мощность двухтактных двигателей теоретически должна увеличиваться в два раза

Однако очистка цилиндров от обработавших газов и его наполнение свежим зарядом при отсутствии насосных ходов не могут быть достаточно качественными. Обычно в большинстве конструкций двухтактных двигателей коэффициент остаточных газов значительно выше, а коэффициент наполнения ниже, чем четырехтактных. Кроме того, часть рабочего объема двухтактных двигателей, занятая окнами, является потерянной при сжатии и расширении. Для организации продувки требуется значительная затрата мощности на привод надувочного насоса. В связи с этим переход на двухтактный цикл реально позволяет повысить литровую мощность не в два, а только в 1,5-1,6 раза

Двухтактные двигатели имеют худшую экономичность и повышенную теплонапряженность. Последнее создает определенные трудности при проектировании и доводке этих двигателей, вследствие чего двухтактный цикл применяются главным образом в силовых установках малой мощности, где используется их исключительная простата, или в крупных тихоходных судовых и тепловозных установках, которые трудно форсировать путем увеличения числа оборотов

1.6 Применение новых материалов

Благодаря малой плотности, хорошим литейным свойствам и обрабатываемости при производстве различных деталей автомобиля широко применяются алюминиевые сплавы. Первыми деталями, которые начали изготавливать из алюминия, были поршни и головки блоков цилиндров двигателей внутреннего сгорания. При этом использовалась также хорошая теплопроводность алюминия. В дальнейшем из него начали делать различные корпуса, бачки, емкости, для достижения необходимой прочности которых не требовалось большой толщины стенок и, наоборот, при литье под давлением эти стенки делались тоньше

У отливок, полученных методом литья под давлением в стальные формы, достигается высокая точность, что значительно снижает число обрабатывающих операций, ограничивая их лишь обработкой посадочных поверхностей. Отливки, полученные под давлением, все шире используются и для картеров двигателей внутреннего сгорания. Это требует специальной оснастки и приспособлений для формирования в отливке рубашки охлаждающей жидкости, однако большая экономия массы окупает все затраты

Уменьшение массы при использовании алюминия вместо чугуна почти пропорционально соотношению плотностей этих материалов, равному 7,3:2,7. Литая деталь из алюминиевого сплава почти втрое легче такой же детали из чугуна. Сравнительные исследования стоимости чугунного и алюминиевого блоков цилиндров для бензинового двигателя объемом 1800-2200 см3, проведенные в последние годы, показали преимущества использования алюминия. Сравнение проводилось по всему производственному циклу: от изготовления стержней, расплава, литья и до окончательной механической обработки. Масса необработанной отливки составляет 72 кг при использовании чугуна и 23 кг - алюминия. Обработанный чугунный блок весит 44,5 кг, алюминиевый - 14,4 кг

Проводилось также сравнение энергии, потребляемой на все операции литья и обработки. Для выпуска в день 3000 шт. блоков из чугуна необходимо 6500 кВт, а для того же числа блоков из алюминия - 1100 кВт

Исследование показывает, что с точки зрения энергетических затрат в случае изготовления алюминиевого блока экономия энергии составляет 60% по сравнению с чугунным. Поэтому, несмотря на более высокую цену алюминия, его применение для блока цилиндров, а также других отливок является выгодным. Влияние уменьшения массы проявится при эксплуатации в меньшем расходе топлива

Имеют место другие примеры снижения массы при замене серого чугуна алюминием. У рядного четырехцилиндрового двигателя «Chevrolet-Vega» (США) с рабочим объемом 2300 см3 чугунный блок имеет массу 39,5 кг, а такой же блок из алюминия - 13,6 кг, т. е. снижение массы достигает 65 %.У шестицилиндрового двигателя «Rambler-Custom» фирмы «AmericanMotors» блок из алюминия с залитыми чугунными гильзами имеет массу 30 кг; масса этого же блока из чугуна составляет 76 кг. Снижение массы в этом случае достигает 61 %

Аналогичные цифры характерны и для цилиндров небольших двигателей с воздушным охлаждением, где снижение массы также достигает 60% . Чугунный цилиндр с оребрением двухтактного двигателя объемом 250см3 имеет массу 8,15 кг, а такой же алюминиевый цилиндр с твердым хромированным покрытием рабочей поверхности - 3,15 кг, что соответствует уменьшению массы на 62 %

Алюминиевые блоки цилиндров двигателей дают не только уменьшение массы, но и улучшение теплового режима. Теплопередача и отвод теплоты в систему охлаждения улучшаются, температурные поля головки блока и цилиндров становятся более равномерными, что не менее важно, чем снижение массы. Прежде всего, уменьшается местный перегрев вблизи выпускного клапана, а распределение температуры по поверхности цилиндра становится более равномерным

Цилиндр сохраняет свою форму и в нагретом состоянии, что важно для прилегания поршневых колец по всей окружности и, в свою очередь, имеет влияние на проникание масла в камеру сгорания. При обычном применении алюминиевых поршней большее тепловое расширение алюминиевых цилиндров выгодно тем, что зазор между цилиндром и поршнем может быть уменьшен, что снижает уровень шума двигателя

Вывод: наиболее эффективными методами повышения экономических показателей являются; повышение степени сжатия, использование бедных горючих смесей, совершенствование качеств смесеобразования, повышение механического КПД. Данные методы нашли большое применение в современном машиностроении

2 Анализ конструкции современных систем газотурбинного наддува

В настоящее время распространение получили два типа систем газотурбинного наддува: изобарная (т.е. наддув при постоянном давлении) и импульсная (наддув при переменном давлении). Ниже рассмотрена каждая система на примере существующих конструкций автомобильных дизелей

2.2 Импульсная система наддува

В импульсных системах выпускные коллекторы разделены на секции. К каждой секции присоединена группа цилиндров, у которых такты выпуска не перекрываются, т.е. такт выпуска в одном цилиндре заканчивается до того, как начинается выпуск в следующем цилиндре этой секции. Соответственно разделены и подводящие патрубки турбины турбокомпрессора, вплоть до рабочего колеса

Такая система получила применение на двигателе 8ДВТ-

Эта система включает два выпускных коллектора, каждый из которых разделен на секции, объединяющие по два цилиндра и два турбокомпрессора (по одному на каждый ряд цилиндров)

Подвод отработавших газов к турбине турбокомпрессора осуществляется выпускными коллекторами, объединяющие выпускные патрубки отдельных цилиндров в соответствии с чередованием тактов выпуска. Коллекторы отлиты из чугуна и выполнены разъемными для компенсации тепловых расширений, а в местах стыковки отдельных частей установлены компенсаторы. Воздух в цилиндры двигателя подается двумя турбокомпрессорами ТКР-11. Применение двух компрессоров обусловило установку перед выпускными патрубками ресивера наддувочного воздуха для выравнивания давления наддува на правом и левом рядах цилиндров

Применение импульсного наддува позволило достигнуть номинальной мощности 272 кВт и топливной экономичности 238 г/кВт·ч

Преимущество импульсной системы наддува является отсутствие наложения волн давления, что способствует лучшей очистки цилиндров при перекрытии клапанов. При этом мощность газовой турбины примерно на 20% больше мощности турбины постоянного давления. За счет этого при одинаковом среднем давлении в коллекторе может быть получено большее давление наддува

В тоже время при импульсной системе наддува давление перед турбиной изменяется в широких пределах и в течение значительной части цикла существенно отличается от расчетного, поэтому КПД турбины при импульсной системе ниже, чем у изобарной. Кроме того, при импульсной системе газ из каждой секции выпускного коллектора подводится только к части рабочего колеса, что также снижает КПД турбины

К недостаткам импульсной системы наддува относятся скачки давления при переходе лопатки из одной секции направляющего аппарата в другую. Под действием скачков давления возникают вынужденные колебания лопаток, которые могут привести к резонансу и образованию трещин, а затем и к обрыву лопаток. При импульсной системе наддува, в случае позднего импульса повышается среднее противодавление во время такта выпуска и возникает отрицательная работа насосных ходов, т.е. снижается механический КПД двигателя

Импульсная система наддува нашла применение в дизелях с номинальными частотами до 2000 мин-

2.3 Двухступенчатая система газотурбинного наддува с промежуточным охлаждением наддувочного воздуха

Система двухступенчатого наддува включает:

- турбокомпрессор высокого давления;

- турбокомпрессор низкого давления;

- холодильники наддувочного воздуха для каждой ступени;

- вспомогательная камера сгорания

Особенностями данной системы является следующее:

- охладитель наддувочного воздуха, установленный за компрессором ступени высокого давления, выполнен таким образом, что в режиме прогрева двигателя воздуха из компрессора поступает как во впускной коллектор, так и через камеру сгорания на турбину турбокомпрессора. При работе двигателя воздух из компрессора поступает в охладитель и во впускной коллектор, а параллельно горячий воздух подается через байпас в камеру сгорания;

- дополнительная камера сгорания установлена в байпас между выходом компрессора и входом в турбину, при этом на режимах пониженных частот вращение коленчатого вала камера сгорания обеспечивает подогрев перепускаемого воздуха для поддержания заданного цикловой подачей давления воздуха

По отношению к одноступенчатому наддуву двухступенчатый наддув имеет следующие преимущества:

- значительно больший уровень давления наддува и в связи с этим возможность получение больших величин среднего давления;

- более высокий КПД системы при ровном давлении наддува;

- более широкое поле характеристик и поэтому лучшая приспособляемость к желательному диапазону работы двигателя;

- применение охлаждения наддувочного воздуха позволило увеличить количество зарядов, подаваемого в цилиндры, несколько снизить теплонапряженность деталей и содержание вредных компонентов в выхлопных газах

Недостатками данной системы является худшая приемистость, т.к. должны разгоняться два последовательно расположенных ротора компрессоров, между которыми распределяется имеющийся перепад давления. Кроме того, сложность конструкции снижает возможность применения этой системы на двигателях военной автомобильной техники

2.6 Турбокомпрессор с электроприводом

Система «Booster», включает в себя турбокомпрессор с электроприводом, который может располагаться до или после основного турбокомпрессора, причем общая степень сжатия определяется как произведение степеней сжатия обоих устройств. Данная система позволяет устранить влияние инерционности турбонаддува на рабочий процесс и, как ожидается, существенно повысить удельную мощность двигателя

Последнее означает, что двигатель с меньшим рабочим объемом должен развивать ту же мощность, что и его более крупный предшественник; это позволит снизить удельный расход топлива и выбросы

Основным преимуществом системы «Booster» является обеспечение возможности сохранения формы скоростных характеристик при переходе от большего двигателя к меньшему, а также значительно уменьшить тепловые и механические нагрузки на электрические и электронные компоненты по сравнению с электроприводным турбокомпрессором

В настоящее время турбокомпрессоры с электроприводом получают широкое распространение в серийном производстве

3.2 Особенности устройства турбокомпрессора ТКР-7Н

На основе проведенного ранее анализа предполагается применить комбинированную систему газотурбинного наддува. Данная система включает два взаимозаменяемых турбокомпрессора модели ТКР-7Н, впускные и выпускные коллектора, преобразователи импульсов и соединительные патрубки

Применение в качестве агрегатов наддува двух малоразмерных турбокомпрессоров с малыми моментами инерции роторов повышает приемистость и топливную экономичность двигателя

3.2.1 Компрессор

Корпус компрессора в сборе (выполнен из алюминиевого сплава) с открытой спиральной камерой и запрессованным в него алюминиевым диском, образующим переднюю стенку, которая имеет конусный уклон, входящий в кольцевую плоскую поверхность

Шероховатость внутренних поверхностей корпуса компрессора при литье под давлением R=40. Канал подвода воздуха к колесу конфузорный. Наружная поверхность входного патрубка гладкая, после механической обработки. Выходной патрубок имеет бурт для крепления переходных гибких соединений. Корпус компрессора вместе со стальным экраном компрессора, образующим заднюю стенку диффузора, крепиться к алюминиевому корпусу подшипников шестью болтами. Исходя из особенностей установки ТК на двигатель положение корпуса целесообразно иметь не фиксированным (корпус компрессора должен свободно вращаться относительно оси ротора)

Колесо компрессора следует изготавливать из алюминия точным литьем в кокиль под регулируемым перепадом давления. Применение колеса компрессора из легкого сплава уменьшит приемистость двигателя. Колесо имеет двенадцать радиальных лопаток параболического профиля. Закрутка лопаток по высоте спрофилирована по закону постоянства циркуляции. Исходя из особенностей работы и эксплуатации турбокомпрессора предлагается выполнить колесо отдельно от вала ротора. Колесо свободно насаживается на вал и прижимается к маслоотражательной втулке гайкой, которая имеет левую резьбу, исключающую самоотворачивание гайки при вращении ротора. Для создания натяга в резьбовом соединении предполагается использовать термофиксацию гайки

3.2.2 Турбина

Вследствие воздействия на турбину высоких температур(650-450ºС) предлагается изготовить корпус турбины из ковкого чугуна КЧ 32-

Внутренняя часть корпуса выполнена в виде спиральной однокамерной профилированной полости, служащей каналом подвода отработавших газов к турбине. Щелевой диффузор образован центральной кольцевой поверхностью корпуса и экраном турбины

Выходной канал корпуса диффузорный. Выходной фланец имеет четыре отверстия и предназначен для крепления всего турбокомпрессора. Задняя стенка диффузора образована экраном турбины, который прижимается при креплении турбины к корпусу подшипника. Крепление осуществляется шестью болтами, вворачиваемыми в корпус турбины тремя пластинами, также как и корпус компрессора, корпус турбины предлагается выполнить нефиксированным

Колесо турбины изготавливается точным литьем в вакууме из никелированного сплава АНБ-300. Колесо имеет тринадцать радиальных лопаток параболического профиля с прямым участком у диска. Закрутка лопаток спрофилирована по закону постоянства циркуляции по высоте

Для теплоизоляции компрессора со стороны турбины и со стороны компрессора предлагается установить специальные диски-экраны, образующие с корпусом подшипников воздушные полости. Кроме того со стороны турбины между экраном и корпусом целесообразно иметь стальную прокладку

3.2.3 Смазка подшипников

Смазка подшипников турбокомпрессора циркуляционная, под давлением от смазочной системы двигателя. Слив масла из турбокомпрессора в картер двигателя осуществляется через патрубки. Герметичность соединений магистрали слива масла предполагается обеспечить резиновыми уплотнительными кольцами и паранитовыми прокладками. В корпусе подшипника устанавливаются стальные крышки и маслоотражающий экран (со стороны компрессора), который вместе с уплотнительными кольцами предотвращает течь масла из полости подшипников

3.3 Выпуск отработавших газов

Для нормальной работы предполагаемой системы наддува необходимо обеспечить герметичность участка головка цилиндра-турбокомпрессор. Нарушение герметичности выпускного тракта приводит к снижению оборотов ТК. При этом уменьшается количество воздуха нагнетаемого в цилиндры, увеличивается теплонапряженность двигателя и снижается его ресурс

Вследствие этого выпускные коллекторы выполнены цельнолитыми и крепятся к головкам цилиндров болтами. Для компенсации угловых перемещений головки болта крепления выпускного коллектора, возникающих при нагреве, под головку болта предлагается установить специальную термоизоляционную шайбу. Газовые стыки между выпускным коллектором и головкой цилиндров, между выпускным коллектором и преобразователем импульсов целесообразно обеспечить прокладками из листовой жаропрочной стали. Герметичность стыка между преобразователем импульсов и ТК обеспечивается прокладкой

В преобразователе импульсов, импульсы давления преобразуется в кинетическую энергию, которая сообщается всей массе газов, находящихся в коллекторе, а затем преобразуется в давление. Таким образом,использование импульсов происходит до турбины. Преобразователи импульсов также как и выпускные коллекторы отливаются из чугуна

5 Военно-техническая оценка принятых конструктивных решений

Была произведена работа по определению влияния импульсного газотурбинного наддува на мощностные и экономические показатели двигателя КамАЗ-

Установка наддува на данный двигатель позволяет в значительной степени повысить экономические показатели, так индикаторный удельный расход топлива равный на безнаддувном варианте 0,1765 кг/(кВт ч) снизился до величины 0,1187 кг/(кВт ч), но несмотря на снижение удельного расхода топлива, происходит повышение индикаторного КПД цикла. Так со значения равного 0,4797 КПД цикла повышается до 0,7133, что позволяет двигателю повысить свои мощностные показатели

Анализ параметров процесса сгорания показывает, что при установке импульсного газотурбинного наддува происходит нарастание давления в камере сгорания вследствие изменения угла поворота коленчатого вала и снижается температура за счет осуществления быстрого вывода отработавших газов из цилиндров двигателя

Произведенные расчеты и их оценка показывают, что установка наддува на двигатель КамАЗ-740 ведет за собой значительное повышение показателей двигателя, что дает возможность совершенствовать двигатели находящиеся в настоящее время в ВС РФ

Использование импульсного газотурбинного наддува на двигателе КамАЗ-740 позволяет решить ряд особенностей связанных со специфическими условиями работы военной автомобильной техники. А также позволяет двигателю соответствовать специальным требованиям

В особенности решаются вопросы по следующим показателям:

- высокие мощностные показатели, обеспечивающие движение машины с необходимыми скоростями в трудных дорожных условиях или условиях бездорожья при полных нагрузках;

- быстрый и безотказный запуск в любых климатических условиях при минимальном времени выхода на номинальном рабочем режиме;

- высокая экономичность обеспечивающая максимальный запас хода машин и возможно меньший расход топлива;

- способность хотя бы кратковременно, к работе на нестандартных топливах (многотопливность);

- малые затраты удельного расхода топлива;

- малая токсичность выбросов и их уровень;

- рост надежности и компактности;

- снижение материалоемкости, массы, трудоемкости изготовления и эксплуатации

Эти требования могут быть выполнены при применении наддува как средства комплексного совершенствования показателей двигателей

Заключение

Совершенствование двигателей внутреннего сгорания осуществляется в направлениях: повышение экономических показателей, повышение удельной мощности, увеличение надёжности и повышение срока службы двигателя, снижение дымности и токсичности отработавших газов, обеспечение параметрической стабильности в условиях эксплуатации и т.д

Использование военной автомобильной техники в основном ложится на плохие дорожные условия, либо на бездорожье при максимальных нагрузках. Все эти факторы порождают отдельные определённые требования к двигателям этих машин. Для повышения мощностных экономических показателей на двигателя военной автомобильной техники конструкторы ведут работы по совершенствованию, модернизации и установки дополнительных и вспомогательных установок, позволяющих в значительной степени увеличить данные показатели

Одним из таких способов является установка импульсного газотурбинного наддува. Разработка газотурбинных наддувов началась еще в конце 30-х годов и к настоящему времени автомобильные дизеля с турбонаддувом для грузовых машин доведены до большей степени совершенства

На основании требований, предъявляемым к двигателям военной автомобильной техники и тенденции развития двигателестроения, был произведен анализ современных систем газотурбинного наддува, других систем, повышающих мощностные и экономические показатели двигателей и обоснованно применение импульсного газотурбинного наддува

В выполненном проекте исследовано влияние импульсного газотурбинного наддува на мощностные и экономические показатели двигателя КамАЗ-

В связи с тем что данный двигатель является распространенным среди двигателей военной автомобильной техники, повышение его показателей является актуальной проблемой в настоящее время

Проведенные расчеты показывают, что установка предлагаемой системы импульсного газотурбинного наддува позволяет повысить мощность двигателя с 170 кВт до 190 кВт, с улучшением топливной экономичности до 136 г/кВт∙ч

Проведенный анализ позволяет сделать следующие выводы:

- при разработке наддува для двигателя КамАЗ-740 необходимо следить за увеличением жесткости работы, что может привести к раннем выходу из строя двигателя;

- следует следить за изменением температуры остаточных газов, что может привести к сильному нагреву деталей и возникновению нарушения воспламенения в связи с появлением окалин;

- исследуемый импульсный газотурбинный наддув позволяет в значительной степени повысить экономические показатели двигателя и позволяют двигателю КамАЗ-740 соответствовать требованиям предъявляемым к двигателям военной автомобильной технике

Установка предлагаемой системы на двигатель незначительно увеличит объем технического обслуживания и практически не усложнит его эксплуатацию

Эксплуатация усовершенствованного двигателя КамАЗ-740 на военной автомобильной технике позволит значительно повысить боевые качества военной автомобильной техники

Наддув в настоящее время считается наиболее эффективным способом повышением мощности и улучшения экономичности дизелей

Содержание

Введение………………………………………………………………

8

1

Анализ военно-технических требований к силовым установкам армейских машин…………………………………………………….

11

1.1

Основные направления повышения мощностных и экономических показателей двигателей…………………………...

15

1.2

Увеличение рабочего объема двигателя…………………………...

18

1.3

Повышение частоты вращения коленчатого вала………………...

19

1.4

Переход на двухтактный цикл……………………………………...

20

1.5

Увеличение массы циклового заряда за счет наддува……………

21

1.6

Применение новых материалов…………………………………….

24

2

Анализ конструкции современных систем газотурбинного наддува………………………………………………………………..

27

2.1

Изобарная система наддува…………………………………………

27

2.2

Импульсная система наддува……………………………………….

29

2.3

Двухступенчатая система газотурбинного наддува с промежуточным охлаждением наддувочного воздуха…………...

30

2.4

Система «Giperbar»………………………………………………......

32

2.5

Компрессор с изменяемой геометрией…………………………….

34

2.6

Турбокомпрессор с электроприводом……………………………...

37

2.7

Наддув типа «Comprax»……………………………………………...

37

2.8

Система «Valvetronic»……………………………………………….

41

3

Обоснование конструктивных решений газотурбинного наддува двигателя КамАЗ-740………………………………………

43

3.1

Конструктивные схемы турбокомпрессоров………………………

43

3.1.1

Турбокомпрессоры с опорами по концам ротора…………………

45

3.1.2

Турбокомпрессоры с опорами между рабочими колесами……....

47

3.1.3

Турбокомпрессоры с расположением колеса компрессора и турбины по одну сторону от опор ротора………………………............

52

3.1.4

Турбокомпрессоры с опорами ротора по обеим сторонам турбины……………………………………………………………….

52

3.1.5

Турбокомпрессоры с опорами ротора по обеим сторонам колеса компрессора………………………………………………….

53

3.2

Особенности устройства турбокомпрессора ТКР7Н…………….

54

3.2.1

Компрессор…………………………………………………………...

55

3.2.2

Турбина………………………………………………………………..

56

3.2.3

Смазка подшипников………………………………………………...

57

3.3

Выпуск отработавших газов………………………………………...

57

3.4

Система питания двигателя воздухом……………………………..

58

3.5

Тепловой расчет……………………………………………………...

66

4

Военно-техническая оценка принятых конструктивных решений…………………………………………………………….....

84

Заключение……………………………………………………………

86

Приложение А

Приложение Б