Температура турбины бензинового двигателя: Бензин или дизель | ТурбоМастер

Бензин или дизель | ТурбоМастер

Дата публикации: 2014-05-29

Чем отличаются турбины на дизельном и бензиновом двигателях?

А есть ли у них вообще какие-то отличия? Да, они есть, и проистекают из различных условий, в которых работают эти агрегаты.

Турбина дизельного двигателя раскручивается отработавшими газами с максимальной температурой 850°С. Бензиновая турбина может только позавидовать таким «комфортным» условиям. Ей приходится испытывать воздействие газов, температура которых приближается к 1000°С. Более того, в ближайшем будущем экологические ограничения заставят бензиновые двигатели работать в режимах, на которых температура отработавших газов перевалит за тысячу!

Отсюда – разные требования к материалам, из которых изготавливаются детали «горячей» части турбокомпрессора — корпус и колесо турбины.

Одна из этих турбин – дизельная, другая – бензиновая, но распознать это сможет только профессиональный турбинист.

Их главные отличия – внутри, в рецептуре материалов.

Рециркуляционный клапан компрессора и двухзаходная «улитка» турбины twin scroll – это бензиновый турбоагрегат.

Механизм VNT с электронным приводом – верная примета турбины для дизельного двигателя.

В конструкции турбины бензиновой применяются более жаропрочные и жаростойкие сплавы, чем в дизельной турбине.

Подробнее о материалах турбин читайте здесь

Из этого следует вывод: использование дизельной турбины для наддува бензинового двигателя – рискованное мероприятие. Также, как и эксплуатация дизельного двигателя с турбиной бензиновой. Строго говоря – недопустимое.

А можно ли наоборот, бензиновую турбину поставить на дизельный двигатель с турбонаддувом? И этого также делать не стоит. Турбоагрегаты для бензиновых моторов, как правило, рассчитываются на значительно меньшую степень повышения давления, чем требуется в дизелях, и работу в условиях дефицита отработавших газов на режимах частичных нагрузок.

Первое условие – следствие ограничения предельного давления наддува из-за опасности возникновения детонации. Второе – результат качественного способа регулирования бензинового двигателя путем дросселирования поступающего в него потока воздуха.

Так что в нехарактерных для себя рабочих условиях бензиновая турбина, скорее всего, окажется менее эффективной, чем родная, дизельная.

И уж конечно, в ассортименте бензиновых турбоагрегатов не удастся найти ничего сравнимого по эффективности с дизельными турбинами с регулируемым сопловым аппаратом (технологии VNT, VTG, VGT). Их просто не существует. Эти технологии, широко применяющиеся в современных дизельных двигателях с турбонаддувом, пока не прижились в мире серийных бензиновых моторов. Причина — недостаточная надежность механизма VNT при высоких температурах отработавших газов у бензиновых «зажигалок».

ТурбоМастер

Принцип работы дизельного двигателя: рабочая температура, схема мотора

Содержание статьи:

1. Немножко предыстории
2. Особенности конструкции
3. Принцип работы
4. Дополнительное оборудование
5. Топливная система
6. Турбонаддув
7. Форсунки и интеркулер
8. Рабочая температура дизеля

Приветствую вас друзья! Дизельный силовой агрегат уже давно завоевал любовь и уважение в кругу автолюбителей! Он экономичнее, надежнее, да и общее КПД на порядок выше нежели у бензинового собрата. Однако, более сложное устройство и принцип работы дизельного двигателя не дают многим отечественным шоферам решиться на покупку автомобиля такого типа. Оно и не странно, выбор автомобиля заставляет обратить внимание на стоимость обслуживания автотехники и это правильно! Но все же, дабы развеять опасения коллег, сегодня я попытаюсь в понятной форме описать вам все особенности такого агрегата. Но обо всем, как обычно по порядку…

Содержание

• Немножко предыстории
• Особенности конструкции
• Принцип работы
• Дополнительное оборудование
• Топливная система
• Турбонаддув
• Форсунки и интеркулер
• Рабочая температура дизеля

Немножко предыстории

Первый мотор такого типа был создан французским инженером Рудольфом Дизелем, который жил в эпоху XIX века. Как вы сами понимаете, мастер не долго думал над названием своего изобретения и пошел по стопах великих изобретателей, прозвав его своей фамилией. Функционировал двигатель на керосине, а использовался исключительно среди кораблей и стационарных станков. Почему? Все очень просто, огромный вес и повышенный шум движка, не позволял увеличить спектр его применения.

И так было вплоть до 1920 года, когда первые экземпляры уже существенно модернизированного дизеля, начали применять в общественном и грузовом транспорте. Правда только спустя 15 лет, появились первые модели легковых автомобилей, работающих на солярке, но наличие все тех же минусов не позволяли использовать силовой агрегат повсеместно. Лишь в 70-х годах, свет увидели действительно компактные дизели, к слову говоря, многие эксперты привязывают это событие к резкому скачку цен на нефть. Как бы там ни было, дизельный силовой агрегат за время своего становления на чем только не работал. Экспериментаторы лили в него все что под руку попадется: рапсовое масло, сырая нефть, мазут, керосин и наконец солярка.  В наши дни, мы все видим к чему это привело – на фоне дорогого бензина, дизель покоряет не только Европу, но и весь мир!

Особенности конструкции

Устройство дизельного двигателя, по большому счету имеет не так уж много отличий в сравнении с бензиновым аналогом. Это все тот же поршневой мотор внутреннего сгорания, в котором воспламенение топлива осуществляется не посредством искры, а за счет сжатия или нагрева. В его конструкции можно выделить несколько основных элементов:

• Поршни;
• Цилиндры;
• Топливные форсунки;
• Свечи накаливания;
• Клапан впускной и выпускной;
• Турбина;
• Интеркулер.

Для сравнения: КПД бензинового мотора в среднем составляет порядка 30%, в случае с дизельным вариантом этот показатель увеличивается до 40%, а с турбонаддувом и во все до 50%!

Более того, схемы функционирования также очень похожи между собой. Отличаются лишь процессы создания топливовоздушной смеси и ее сгорания. Ну и еще одно глобальное отличие – это прочность деталей. Обуславливается такой момент значительно большим уровнем степени сжатия, ведь если в «зажигалках» допускается небольшой люфт между деталями, то в дизеле все должно быть максимально плотно.

Принцип работы

Давайте наконец разберемся, как работает дизельный двигатель. Если говорить о четырехтактном варианте, то здесь можно наблюдать отдельную от цилиндра камеру сгорания, которая тем не менее связана с ним специальным каналом. Данный тип моторов, продвинули в массы намного раньше нежели модификацию с двумя тактами, в связи с тем, что они были тише и имели повышенный диапазон оборотов. Если следовать логике, то становится понятно, если 4 такта, то соответственно рабочий цикл состоит из 4 фаз, рассмотрим их.

1. Впуск – при повороте коленчатого вала в районе 0-180 градусов, воздух попадает в цилиндр сквозь впускной клапан, который открывается на 345-355 градусов. Одновременно с впускным открывается и выпускной клапан, при повороте коленвала на 10-15 градусов.
2. Сжатие – двигаясь вверх при 180-360 градусах, поршень сжимает воздух в 16-25 раз, в свою очередь в начале такта при 190-210 градусах, закрывается впускной клапан.
3. Рабочий ход – когда такт только начинается, топливо смешивается с горячим воздухом и воспламеняется, естественно происходит это все до достижения поршнем мертвой точки. При этом выделяются продукты сгорания, которые оказывают давление на поршень и тот двигается вниз. Обратите внимание, что давление газов постоянно, так сгорание топлива длится ровно столько же, сколько форсунка дизельного двигателя подает жидкость. Именно благодаря этому, развивается больший крутящий момент в сравнении с бензиновыми агрегатами. Осуществляется все это действие при 360-540 градусах.
4. Выпуск – когда коленчатый вал поворачивается на 540-720 градусов, поршень двигаясь вверх выдавливает выхлопные газы через открытый выпускной клапан.

Принцип работы двухтактного дизельного двигателя отличается более быстрыми фазами, единым процессом газообмена и непосредственным впрыском. Для тех, кто не в теме напомню: в таких конструкциях камера сгорания находится непосредственно в поршне, а топливо поступает в пространство над ним. Когда поршень движется вниз, продукты горения покидают цилиндр через выпускные клапана. Далее, отворяются впускные клапана и поступает свежий воздух. При движении поршня вверх, все клапана закрыты, в это время происходит сжатие. Топливо впрыскивается распылителями и начинается его воспламенение до достижения поршнем верхней мертвой точки.

Дополнительное оборудование

Если отбросить сам ДВС в сторону, на общий план выходит целый ряд вполне себе подготовленных помощников. Рассмотрим главных профессионалов!

Топливная система

Устройство топливной системы дизельного двигателя намного сложнее нежели в бензиновых модификациях. Объясняется данный нюанс легко и просто – требования к давлению подаваемого топлива, количеству и точности – очень высоки, сами понимаете почему. ТНВД дизельного двигателя, топливный фильтр, форсунки их распылители – все это основные элементы системы. Отдельной статьи заслуживает не только аппаратура, но и устройство топливного фильтра. Возможно, вскоре разберем под микроскопом и их.

Турбонаддув

Турбина на дизельном двигателе существенно увеличивает его производительность за счет того, что топливо подается под высоким давлением и соответственно полностью выгорает. Конструкция данного агрегата в принципе не такая уж сложная, состоит она всего из двух кожухов, подшипников и защитной сетки из металла. Принцип работы турбины дизельного двигателя выглядит следующим образом:

• Компрессор, к которому подсоединен один кожух всасывает воздух внутрь турбонагнетателя.
• Далее, активируется ротор.
• После, настает время охладить воздух, с этой задачей справляется интеркулер.
• Пройдя несколько фильтров на своем пути, воздух через впускной коллектор попадает в двигатель, после чего клапан закрывается, а последующее его открытие происходит на завершающей стадии рабочего хода.
• Как раз тогда через турбину, мотор покидают отработанные газы, которые еще и оказывают определенное давление на ротор.
• В этот момент скорость вращения турбины может достигать 1500 оборотов в секунду, а посредством вала вращается и ротор.

Цикл турбины работающего силового агрегата повторяется раз за разом и именно благодаря вот такой стабильности, мощность мотора растет!

Форсунки и интеркулер

Принцип работы интеркулера, а также форсунки, да и вообще их предназначение, разумеется кардинально отличаются. Первый, путем теплообмена снижает температуру воздуха, который в горячем состоянии сильно влияет на долговечность двигателя. На форсунку же, ложиться задача в дозировке и распылении топлива.

Функционирует она в импульсном режиме за счет кулачка, отходящего от распредвала и собственно распылителей.

Рабочая температура дизеля

Не стоит пугаться если на панели приборов отсутствуют привычные 90 градусов. Дело в том, что рабочая температура дизельного двигателя довольно специфическая и зависит от конкретной марки автомобиля, собственно самого мотора и термостата. Так, если для «Фольксвагена» нормальным значением будет отметка в пределах 90-100 градусов, то рядовой «Мерседес» функционирует при 80-100, а «Опель» вообще в районе 104-111 градусов. Отечественный грузовик «КАМАЗ», например, работает при 95-98 градусах.

Какая бы рабочая температура, не была у вашего силового агрегата, одно очевидно – моторы на солярке сегодня актуальны, как никогда. Не верите мне? Оглянитесь по сторонам, сегодня можно встретить даже дизельный двигатель на «Ниву» и это я вам скажу, случай не единичный. Уже из этого можно сделать вывод – такой мотор во много лучше бензинового.

Да в скоростных качествах сравниться с бензиновыми ему вряд ли удастся, хотя современные модели с турбинами определенно создать конкуренцию могут.

Если же менять машину, а тем более двигатель желание нет, рекомендую собственными руками помыть мотор, ведь мы делаем это не так уж часто, как выглядит процедура я описал здесь. В общем свое мнение я высказал, жду ваше в комментариях! Всего доброго!

Измерение температуры компонентов газотурбинного двигателя с помощью термографических люминофоров

Полностью оптический датчик позволяет проводить бесконтактные измерения температуры лопаток турбины с керамическим покрытием для разработки и мониторинга современных авиационных двигателей.

20 марта 2013 г.

Томас П. Дженкинс, Стивен В. Эллисон и Джеффри И. Элдридж

Характеристики газотурбинных двигателей, обеспечивающих постоянную мощность или тягу с использованием ротора с лопастями, вращающегося за счет быстро движущегося потока дымовых газов, напрямую связаны с максимальной температурой, достигаемой на входе в турбину. Эта температура обычно ограничивается материалом лопаток или лопастей турбины. Поскольку стремление к более высокой тяге и большей эффективности приводит к тому, что температура двигателя приближается к предельным значениям материала, точное измерение этих температур становится все более важным. Разработчики двигателей должны знать, как температура лопаток реагирует на изменения конструкции, а обслуживающий персонал должен знать, каким температурам подвергаются компоненты двигателя.

Усовершенствованные двигатели содержат керамические термобарьерные покрытия (TBC) на компонентах двигателя для обеспечения работы при высоких температурах. Существующие датчики температуры включают термопары, измеряющие электрический потенциал между разнородными металлами, и пирометры, измеряющие тепловое излучение. Термопары трудно прикрепить к керамическим поверхностям, и они плохо подходят для измерений на вращающихся деталях. Кроме того, пирометры часто имеют большие погрешности, вызванные паразитными отражениями. Чтобы избежать этих проблем, мы разрабатываем метод измерения температуры, основанный на лазерно-индуцированной люминесценции термографических люминофоров.

Наш подход направляет импульс лазерного света на цель и измеряет время жизни результирующей люминесценции. ¹ Мы наносим на мишень керамический люминофор, представляющий собой материал, вызывающий люминесценцию при воздействии света определенной длины волны. Лазер переводит атомы люминофора в возбужденное состояние, которое затем испускает фотоны, возвращаясь в основное состояние. Существуют конкурирующие пути к основному состоянию, которые зависят от температуры, в результате чего время жизни возбужденного состояния зависит от температуры. Срок службы обычно монотонно уменьшается с повышением температуры. ²

Чтобы продемонстрировать метод, мы провели измерения на компоненте двигателя, установленном в потоке выхлопных газов турбореактивного двигателя с форсажной камерой.

3 На рис. 1 показана экспериментальная схема, в которой сопловой аппарат двигателя был установлен на опоре в потоке выхлопных газов двигателя. Опорная конструкция охлаждалась водой и служила для защиты оптики, используемой для передачи лазерного излучения и сбора сигнала люминесценции. Опора также направляла дополнительный поток воздуха через небольшие охлаждающие каналы на поверхности лопасти, но сама лопасть не охлаждалась водой. Лопасть была покрыта слоем TBC из оксида циркония, стабилизированного оксидом иттрия (YSZ), который представляет собой керамический материал на основе оксида циркония, и слоем люминофора из иттрий-алюминиевого граната, легированного диспрозием (Dy:YAG). Волоконно-оптический зонд, состоящий из центрального передающего лазерного волокна (диаметром 600 мкм) с 82 окружающими собирающими волокнами (каждое диаметром 200 мкм), использовался для подачи света от импульсного лазера на иттрий-алюминиевом гранате (Nd:YAG), легированном неодимом.

с длиной волны 355 нм для возбуждения точки измерения на крыльчатке. Сигналы люминесценции от люминофорного покрытия собирались зондом, передавались через удлинитель оптического волокна и регистрировались фотоумножителем (ФЭУ). Сигналы с ФЭУ оцифровывались с помощью осциллографа и сохранялись на компьютере.

Рис. 1. Экспериментальная установка для измерения температуры направляющего аппарата сопла, поддерживаемого выхлопом турбореактивного двигателя с форсажной камерой сгорания. ФЭУ: фотоумножитель.

Необработанные сигналы из экспериментов показаны на рис. 2, на котором сигнал люминесценции представлен как функция времени после лазерного импульса. Для каждого лазерного импульса время жизни затухания было получено путем подгонки экспоненциальной кривой к данным после вычитания базового сигнала. Показаны данные четырех отдельных лазерных импульсов, для которых видно, что измеренное время жизни люминесценции изменяется от 114 до 338 мкс. Эти времена жизни соответствуют температурам в диапазоне 1187–1276°C и были получены с помощью предыдущей калибровки.

⁴ Время жизни — это то, что в конечном счете ограничивает временное разрешение измерения, которое в данном случае может составлять сотни микросекунд.

Рис. 2. Затухание люминесценции (время жизни указано желтым) от люминофора, покрытого люминофором, в потоке выхлопных газов двигателя при различных температурах (T). Dy:YAG: иттрий-алюминиевый гранат, легированный диспрозием.

Мы провели эксперимент с временными рядами температур, измеренных с помощью этого метода, из которых 13-секундный период работы двигателя с включенной форсажной камерой показан на рисунке 3. Мы получили записи данных с частотой 5 Гц, каждая из которых состоит из 10 000 значений напряжения. измерения затухания люминесценции, из которых было получено время жизни. В необработанных данных наблюдались значительные уровни фонового излучения от выхлопного шлейфа. Однако, вычитая этот фон, большую часть данных можно было использовать. Колебания температуры, наблюдаемые на Рисунке 3, в основном связаны с фактическими колебаниями температуры, о чем можно судить по тому факту, что они меняются непрерывно, а не случайным образом.

Мы оценили случайную ошибку по данным, полученным с двигателем на малой мощности, чтобы избежать больших колебаний, и рассчитали стандартное отклонение 7 мкс. Этот уровень неопределенности соответствует уровню шума 6°С при 1050°С или около 3°С при 1250°С. Для сравнения, погрешности современных методов редко превышают 50°C. Фотография лопасти после испытаний показана на рис. 4, на которой видно повреждение, вызванное горячими выхлопными газами.

Рисунок 3. Временной ряд температур, измеренных на направляющем аппарате сопла, поддерживаемом в потоке выхлопных газов турбореактивного двигателя, демонстрирующий возможность измерения температуры около 1200°C на керамическом покрытии. BW: Полоса пропускания фильтра.

Рис. 4. Фотография дуплета направляющего аппарата сопла (два аэродинамических профиля) после испытаний, на которой видно повреждение одного из аэродинамических профилей.

Мы продемонстрировали, что температуры компонентов двигателя с термобарьерным покрытием около 1250°C могут быть измерены в присутствии горячих дымовых газов с использованием метода времени жизни люминесценции. Случайные изменения измеренного срока службы при низких настройках мощности двигателя соответствовали уровню шума 3°С при 1250°С. Эти выводы должны привести к созданию датчиков, которые помогут в разработке усовершенствованных газотурбинных двигателей. В ближайшие месяцы мы продемонстрируем эту технику на активных компонентах работающего двигателя.

Томас П. Дженкинс

МетроЛазер Инкорпорейтед

Laguna Hills, CA

Томас П. Дженкинс в настоящее время является старшим научным сотрудником MetroLaser и главным исследователем нескольких программ по разработке диагностики для аэрокосмических и промышленных приложений. До прихода в MetroLaser он работал научным сотрудником в Стэнфордском университете, Калифорния. Он имеет докторскую степень в области машиностроения Калифорнийского университета в Дэвисе.

Стивен В. Эллисон

Новые измерения

Ок-Ридж, Теннесси

Джеффри И. Элдридж

Исследовательский центр Гленна НАСА

Cleveland, OH

Ссылки:

1. T.P. Jenkins, J.I. Eldridge, S.W. Allison, R.H. Niska, J.J. Condevaux, D.E. Wolfe, E.H. , 9-й международный временный. Симп. , 2012. Paper 1569482223.

2. Брюбах Дж., Пфлитч К., Драйцлер А., Атакан Б. Об измерении температуры поверхности термографическими люминофорами: обзор, Прогр. Энергетическое сгорание. науч. 39(1), с. 37-60, 2013. doi:10.1016/j.pecs.2012.06.001

3. Дженкинс Т.П., Элдридж Дж.И., Эллисон С.В., Ховард Р.П., Джордан Э.Х. Экспериментальное исследование люминесцентной термометрии времени жизни высокотемпературных компонентов двигателя с использованием покрытий. YAG:Dy и YAG:Tm. Доклад принят на 59-й конференции IIS Symp. в Кливленде, Огайо, 13–17 мая 2013 г.

4. M.R. Cates, S.W. Allison, S.L. Jaiswal, D.L. Beshears, YAG:Dy и YAG:Tm, флуоресценция до 1700 C, 49-й симпозиум IIS. , 2003 г. Бумага TP03AERO033.

по Фаренгейту 3600 Куда ни глянь, газовая турбинная промышленность работает на подъеме. | Машиностроение

Пропустить пункт назначения

Выберите статью

Куда ни глянь, газовая турбинная промышленность кипит.

Ли С. Лэнгстон

Информация об авторе и статье

Ли С. Лэнгстон — почетный профессор машиностроения Коннектикутского университета в Сторрсе. Частый участник машиностроения. он бывший редактор журнала ASME Engineering for Gas Turbines and Power.

Машиностроение . Апрель 2007 г., 129(04): 34-37 (4 страницы)

https://doi.org/10.1115/1.2007-APR-3

Опубликовано в Интернете: 1 апреля 2007 г.

• Просмотры
  • Содержание артикула
  • Рисунки и таблицы
  • Видео
  • Аудио
  • Дополнительные данные
  • Экспертная оценка
• Делиться
  • Facebook
  • Твиттер
  • LinkedIn
  • MailTo

• Иконка Цитировать Цитировать

• Разрешения

• Поиск по сайту

Citation

Langston, LS (1 апреля 2007 г. ). «3600 по Фаренгейту». КАК Я. Машиностроение . апрель 2007 г.; 129(04): 34–37. https://doi.org/10.1115/1.2007-APR-3

Скачать файл цитаты:

• Рис (Зотеро)
• Менеджер ссылок
• EasyBib
• Подставки для книг
• Менделей
• Бумаги
• Конечная примечание
• РефВоркс
• Бибтекс
• Процит
• Медларс

панель инструментов поиска

Расширенный поиск

В этой статье показаны возможности газовых турбин работать при экстремально высоких температурах. Аэродинамические поверхности турбины нового реактивного двигателя F135, установленного на истребителе Joint Strike Fighter (JSF) Lightning II, способны работать при таких экстремальных температурах. Газовая турбина F135 является первым серийным реактивным двигателем в этом новом классе 3600 ° F, разработанным, чтобы выдерживать эти самые высокие, рекордные температуры на входе в турбину. Двигатель JSF — это всего лишь один продукт на рынке военных газотурбинных двигателей стоимостью 3,7 миллиарда долларов, который включает в себя производство реактивных двигателей для мировых истребителей, военно-грузовых, транспортных, заправочных и специальных самолетов. В статье также обсуждаются особенности H-класса, который является самой большой газовой турбиной электрической мощности, которая была интерпретирована как аббревиатура от humongous. Неавиационные газовые турбины состоят из электростанций, механического привода и судовых. Самым большим сегментом этого рынка на сегодняшний день является производство электроэнергии в простом цикле, комбинированном цикле и когенерации. Forecast International прогнозирует в ближайшие годы значительный рост спроса на газотурбинные электростанции с 8,6 млрд долларов в 2006 году до прогнозируемых 13,5 млрд долларов в 2008 году, т. е. на 60 процентов.

Раздел выпуска:

Избранные статьи

Темы:

Газовые турбины, Двигатели, Турбины, Самолет, Реактивные двигатели, Электричество (физика)

В настоящее время у вас нет доступа к этому контенту.