Development of a system of two-stage turbocharging for KAMAZ EURO-5 engines

Full Text

В связи с необходимостью соблюдения международных экологических норм в НТЦ ОАО «КамАЗ» проводится работа по созданию систем двигателя, обеспечивающих выполнение норм EURO-5. Одной из главных задач в рамках этого проекта является разработка и проектирование системы наддува. В ходе совместной работы НПО «Турботехника» и НТЦ ОАО «КамАЗ» в НПО «Турботехника» была разработана программа расчета системы двухступенчатого наддува, состоящей из двух последовательно включенных в схему двигателя турбокомпрессоров низкого и высокого давления (рисунок 1). Дополнительно система снабжена охладителями надувочного воздуха после ступени низкого и высокого давления, а также системой рециркуляции отработавших газов. Для формирования характеристики двигателя в области номинальной мощности турбокомпрессор высокого давления снабжен перепускным клапаном в корпусе турбины. Рисунок 1 – Общая схема системы двухступенчатого наддува Рисунок 2 – Схема системы двухступенчатого наддува двигателя КамАЗ EURO-5 При совместной проработке НПО «Турботехника» и НТЦ ОАО "КАМАЗ" системы наддува для двигателя КамАЗ EURO-5 была принята схема с одним охладителем наддувочного воздуха после компрессора высокого давления, а система рециркуляции отработавших газов заменена на систему селективной каталитической нейтрализации (SCR) (рисунок 2). Система селективной каталитической нейтрализации основана на впрыске строго дозированного количества реагента в поток отработавших газов в присутствии катализатора, в результате чего происходит химическая реакция превращения вредных оксидов азота (NOx) в безвредные вещества – азот и воду. Рисунок 3 – Блок-схема расчета параметров наддува При рассмотрении алгоритма расчета двухступенчатой системы наддува (рисунок 3) следует отметить существенные отличия данного метода расчёта от традиционно применяемых: · формирование на первом этапе расчёта внешней скоростной характеристики двигателя по данным заказчика или по справочным [1, 2]. Количество расчётных режимов 5 и более; · задание параметров цикла, используемых в расчёте, на основании аппроксимирующих зависимостей; · учёт наличия рециркуляции отработавших газов; · уточнение коэффициентов политроп сжатия воздуха в компрессоре и расширения газа в турбине в ходе расчёта методом последовательного приближения; · определение располагаемых параметров газа перед турбиной на основе анализа теплоиспользования в цилиндре; · определение необходимой пропускной способности турбины [3] и подбор конкретной турбины и её геометрии из модельных рядов НПО «Турботехника» на основании заданных аппроксимирующих зависимостей; · возможность проведения вычислений для достижения заданных значений площади начального сечения корпуса турбины FT0 [3, 4, 5], пропускной способности турбины µFT, температуры газа перед турбиной; · в ходе расчёта на каждом режиме варьируются только три параметра. В отличие от расчета одноступенчатой системы наддува, при расчете двухступенчатой системы необходимо не только согласование параметров ТКР с поршневой частью двигателя, но и согласование совместной работы ТКР НД и ТКР ВД. На первом этапе расчёта на основании имеющихся технических данных двигателя КамАЗ EURO-5 и информации, приведенной в технической литературе [1, 2], сформирована внешняя скоростная характеристика двигателя (рисунок 4). Минимально необходимая информация для выполнения первого этапа расчёта – протекание крутящего момента и удельного эффективного расхода топлива двигателя по ВСХ. Рисунок 4 – Заданные параметры ВСХ двигателя КамАЗ EURO-5 На втором этапе по заданным параметрам ВСХ в расчетных точках последовательно решаются системы уравнений для определения необходимых параметров компрессоров низкого и высокого давления. Для определения необходимых параметров турбин низкого и высокого давления вводится итерационный процесс, за критерий сходимости принимается мощностной баланс турбокомпрессора, а именно: равенство мощностей компрессора и турбины (Nк.нд = Nт.нд и Nк.вд = Nт.вд). На третьем этапе по результатам расчета методом последовательного приближения уточняются следующие параметры: · коэффициент избытка воздуха уточняется исходя из обеспечения максимальной температуры газа перед турбиной высокого давления 700 0С; · индикаторный кпд цикла двигателя уточняется исходя из обеспечения заданного расхода топлива. При отсутствии заданного расхода топлива по ВСХ программа использует аппроксимирующую функцию расхода топлива; · степень повышения давления турбокомпрессора низкого давления уточняется исходя из обеспечения расходной характеристики совместной работы двигателя и системы наддува при сопоставлении требуемых параметров двигателя и характеристик компрессорных ступеней низкого и высокого давления; · адиабатический кпд компрессорной ступени и эффективный кпд турбинной ступени турбокомпрессора низкого и высокого давления. Подбор турбокомпрессоров выполнялся при наложении расходной характеристики двигателя на характеристики компрессорной (рисунок 5) и турбинной ступеней (рисунок 6). В результате подбора были определены турбокомпрессоры: · ТКР низкого давления – ТКР 100-16; · ТКР высокого давления – ТКР 90.06.12. Анализируя результаты наложения расходной характеристики двигателя на характеристики компрессорной и турбинной ступеней, следует отметить следующее: · характеристики компрессорной ступени ТКР низкого и высокого давления хорошо согласуются с расходной характеристикой двигателя, обеспечивая большой запас по помпажу; · характеристики турбинной ступени ТКР низкого и высокого давления обеспечивают требуемую мощность компрессора по всей расходной характеристики двигателя. Для обеспечения требуемой мощности компрессорной ступени пропускная способность турбины µFT и приведенный расход газа GГ ПР должны располагаться ниже расходной характеристики двигателя. Рисунок 5 – Характеристики компрессоров ТКР 90.06.12 и ТКР 100-16 с расходной характеристикой двигателя КамАЗ EURO-5 Рисунок 6 – Характеристика турбин ТКР 90.06.12 и ТКР 100-16 с расходной характеристикой двигателя КамАЗ EURO-5 На основании выполненного расчета первоначально произведена компоновка 3-мерной модели систему двухступенчатого наддува при помощи программно-вычислительные комплекс Pro/ENGINEER Wildfire 3.0. с согласованием габаритно-присоединительных размеров с НТЦ ОАО "КАМАЗ", а впоследствии данная система наддува была смонтирована на двигателе КамАЗ EURO-5 (рисунок 7). Рисунок 7 – Компоновка системы двухступенчатого наддува двигателя КамАЗ EURO-5 Результаты стендовых моторных испытаний показали (рисунок 8), что система последовательного двухступенчатого наддува производства НПО "Турботехника" позволяет существенно улучшить параметры двигателя по всей ВСХ и особенно в области низких частот вращения, обеспечивая при этом экологические нормы EURO-5. Рисунок 8 – ВСХ двигателя КамАЗ EURO-5 c использованием двухступенчатого наддува производства ЗАО «НПО «Турботехника» В результате анализа полученных расчётных параметров системы наддува и моторных испытаний двигателя КамАЗ EURO-5 (рисунок 9) доказано, что разработанная программа расчета системы двухступенчатого наддува обеспечивают хорошую сходимость результатов расчёта и моторных испытаний двигателя, тем самым подтверждая эффективность и адекватность разработанной модели расчета. Рисунок 9 – Сравнительные результаты расчёта параметров системы наддува и моторных испытаний двигателя КамАЗ EURO-5 Выводы Разработанная методика расчёта 2-х ступенчатой системы наддува обеспечивает хорошую сходимость результатов расчёта и моторных испытаний двигателя. Эффективность системы наддува определяется качеством согласования и достигнутым уровнем эффективности ТКР, входящих в состав системы. Эффективность двухступенчатой системы наддува оказывает непосредственное влияние на показатели двигателя: на режимах с большей эффективностью двигатель имеет более высокий уровень наддува, лучшие показатели по дымности и удельному расходу топлива. Повышение уровня наддува на низких оборотах двигателя позволяет снизить выбросы оксида углерода и твердых частиц. Эффективность работы системы наддува в целом определяется также качеством проектирования её составляющих.

About the authors

V. N Kaminskiy

Moscow State University of Mechanical Engineering (MAMI)

I. N Grigorov

Scientific and Production Association “Turbotehnika”, KAMAZ Research center

Email: turbo@kamturbo.ru

R. V Kaminskiy

Moscow State University of Mechanical Engineering (MAMI)

S. V Sibiryakov

Moscow State University of Mechanical Engineering (MAMI)

S. M Kuchev

Scientific and Production Association “Turbotehnika”, KAMAZ Research center

Email: turbo@kamturbo.ru

V. N Likhachev

Scientific and Production Association “Turbotehnika”, KAMAZ Research center

Email: turbo@kamturbo.ru

References

Supplementary files