Сравнительные характеристики ГТД и дизельного двигателя танка т-80

Появление на танке Т-80У автономного газотурбинного агрегата ГТА-18 создало благоприятные условия для экономии топлива на стоянках и сократило потери на холостом ходу основного двигателя.

По техническим данным расход топлива у ГТД выше, чем  у дизеля, особенно на частичных  нагрузках, но следует учитывать, что  любой двигатель является потребителем еще ряда составляющих или, как принято  говорить, ГСМ. В ГТД отсутствует трение скольжения, поэтому при равной мощности двигателей система подачи и фильтрации масла ГТД намного компактнее и проще в техническом обслуживании. По подсчетам расход масла у ГТД в 10-20 раз меньше, чем у дизеля. Если добавить к этому целый ряд конструктивных мероприятий, проведенных в последние годы на модернизированном Т-80, направленных на снижение эксплуатационного расхода топлива, то по показателю "стоимость - эффективность" газовая турбина не уступает любому поршневому двигателю соответствующей мощности. Высокий технический ресурс ГТД и реальные возможности для его двух-трехкратного увеличения дают ему право на дальнейшее совершенствование.

Время подготовки танка для движения у  газотурбинного двигателя короче, чем  у дизеля, особенно это заметно  на морозе. При подготовке к маршруту, у экипажей дизельных танков на прогрев машин уходит около часа времени. А танки Т-80 с ГТД после запуска готовы к маршруту. У него упрощенная система обогрева экипажа: горячий воздух поступает от компрессора газотурбинного двигателя. А к поршневому дизелю приходится приспосабливать дополнительный теплообменник с вентилятором.

Машины, имеющие газотурбинные двигатели, легче перевести на дистанционное  управление и приспособить к роботизации. А это при современном уровне развития техники приобретает особое значение.

В последних модификациях этой машины, осуществлен целый комплекс научно-технических решений, снизивших эксплуатационный расход топлива более чем в 1,3 раза. Расчёты показывают, что при доведении температуры газов на входе в турбину до 1316–1370°С (что возможно при применении керамических материалов) реально получить расход топлива до 86 г/квт.ч (117 г/л.с.ч.), а тепловой КПД – 53%. Это меняет представление об экономичности газовой турбины.

У ГТД  огромные, неисчерпаемые потенциальные возможности для совершенствования, что прекрасно сегодня демонстрируют авиационные двигателестроители. 

Пути повышения экологичности двигателей

 

Приведем данные по уровню токсичности отработавших газов  для транспортных ГТД и дизельных  двигателей, полученные при эксплуатации в штате Калифорния (США). 

 

Двигатель	Содержание в  отработавших газах, г/квт ч
	HC+NOX	CO
дизель без наддува	22	8,2
дизель с турбонаддувом	10,3	6,8
дизель с разделённой  камерой сгорания	8–11	13,5–4,0
ГТД (2 S/350K фирмы «Бритиш  Лейланд»)	3,8	3,5

 

Улучшение качества процесса смесеобразования и распыливания топлива  позволяет повысить предел обеднения  рабочей смеси и увеличить  полноту ее сгорания.

Подогрев впускного трубопровода приводит также к улучшению процесса смесеобразования, т. к. при этом быстрее  и полнее происходит испарение топлив. Выделение СО и СН_х уменьшается, но выделение NO_x увеличивается.

Существенное влияние  на состав оказывает регулировка  системы холостого хода. Оптимальная  регулировка позволяет снизить  содержание СО на 30%, СН_х на 15% при некотором увеличении до 5% содержанияNO_x в ОГ.

Для предотвращения попадания  в атмосферу С_хH_y,CH_x с картерными газами используют замкнутую систему вентиляции картера, а пары топлива поглощают в адсорберах. В адсорбере пары топлива накапливаются При работе двигателя через адсорбер просасывается воздух, который уносит накопившиеся пары топлива во впускную систему. На двигателе с адсорбером количество С_хH_y, попадающее в атмосферу при испарении топлива уменьшается в 5 раз.

Для дизелей уменьшение угла опережения впрыска топлива на 1 градус существенно снижает концентрациюNO_x в ОГ (отработавших газах). Большое влияние на выделение токсичных веществ с ОГ дизелей оказывает организация процессов смесеобразования и сгорания. Двухкамерные (вихрекамерные, предкамерные) дизели выделяют примерно 50% оксидов азота от ОГ, выбрасываемых однокамерными дизелями. В дизелях осуществляют также рециркуляцию ОГ.

Уменьшение токсичности  ОГ путем их нейтрализации в выпускной  системе. Применяют нейтрализаторы, их классифицируют:

- по принципу работы- каталитические (вступают в реакцию с вредными элементами) и жидкостные (проходя через жидкость газы очищаются).

- по количеству компонент- однокомпонентные (реагируют только на выбросы NO_x); двухкомпонентные (реагируют на два компонента СО и СН_х); трехкомпонентные (реагируют на три самых распространенных компонента СО, СН_х, NO_x).

- по количеству ступеней (одно- или двухступенчатая очистка).

- окислительные и восстановительные  нейтрализаторы:   

NO_x®N₂+O₂; СН_х+СО®СО₂+Н₂О.

В настоящее время применяют  каталитические нейтрализаторы. Катализатор  снижает энергию активации окислительно-восстановительных реакций. Эффективность очистки каталитического нейтрализатора составляет 90-97% при температуре 750⁰С. К проблемам, которые необходимо решать при использовании каталитического нейтрализатора относятся:

- проблема нейтрализации  выхлопа при непрогретом двигателе,  т. к. рабочий диапазон температур  нейтрализатора составляет 250-950⁰С;

- проблемы, связанные с  работой неотрегулированного двигателя  (на богатой смеси) из-за повышения  температуры в выхлопной системе  до 870⁰С и выше; 

-   через 80-100 тыс. км пробега возникает необходимость регенерации нейтрализатора;

- температурный режим  нейтрализатора предъявляет высокие  требования к термостойкости  их корпуса и набивки, к выбору  места установки на автомобиле;

- применение нейтрализатора  приводит к потере мощности  двигателя на 5-7% за счет увеличения противодавления на выпуске.

Сущность процессов каталитической нейтрализации заключается во взаимодействии токсичных компонентов ОГ между  собой или с избыточным кислородом в присутствии катализатора, ускоряющего  реакции окисления СО и СН_х до СО₂ и восстановления NO_xдо N₂. 

В каталитических нейтрализаторах используют платину, палладий, родий, а также оксиды меди, хрома, никеля. Набивка- это носитель, на который наносятся металлы или оксиды металлов. В качестве носителей используются гранулы или монолиты. Гранулированные носители- это сферы, кольца, пирамиды с размером гранул 2-5 мм.

Для снижения концентрации всех трех загрязняющих веществ применяют двухкамерные или однокамерные нейтрализаторы. В двухкамерном нейтрализаторе в первой камере NO_x восстанавливаются до азота, во второй- в присутствии дополнительно вводимого воздуха СО и СН_х окисляются до СО₂. В однокамерном нейтрализаторе для протекания одновременного протекания окислительно-восстановительных процессов необходимо, чтобы состав смеси, поступающей в камеры сгорания, поддерживался в узких пределах (a=1). Максимальная эффективность такого нейтрализатора достигается при его работе в контуре автоматической системы управления подачи топлива, которая содержит помимо нейтрализатора, кислородный датчик и электронный блок управления.

Большое внимание уделяется  вопросам разработки и применения сажевых  фильтров и каталитических дожигателей сажи для двигателей.

В дизелях применяются  только окислительные нейтрализаторы.  

Кроме метода катализа для  снижения токсичности ОГ есть методы, нейтрализации продуктов неполного  сгорания топлива, основанные на дожигании токсичных компонентов ОГ в выпускной системе в присутствии дополнительного воздуха, подаваемого в ОГ (термические нейтрализаторы) и основанные на поглощении токсичных компонентов жидкостью (жидкостные нейтрализаторы).

Уменьшение токсичности  ОГ путем совершенствования систем зажигания и подачи топлива ДВС.

Первый способ- применение бесконтактного электронного зажигания, которое обеспечивает мощный разряд на свечах зажигания и стабильно работает. Второй способ- форкамерное зажигание. В малой форкамере богатая смесь поджигается электрической искрой, а образующийся при этом мощный факел пламени зажигает основную часть более бедной рабочей смеси в цилиндре. Такие двигатели позволяют уменьшить выброс всех токсичных компонентов при экономии до 10% топлива.

Совершенствование процессов  подачи топлива. Это непосредственный впрыск топлива во впускной трубопровод  или в цилиндры, это изменение  клапанного механизма с целью  более тонкого распыления и лучшего перемешивания смеси при поступлении ее в цилиндр. Так, конструкция двигателя с двумя свечами и тремя клапанами позволяет оптимизировать процесс сгорания топлива и снизить выбросы вредных веществ в ОГ на 50%.

В дизельных двигателях содержание СО и СН_х в ОГ объясняется его особенностью рабочего процесса, в котором коэффициент избытка воздуха a=1.3-1.4 (особенно сильно смесь обедняется при работе дизеля на холостом ходу). Недостатком дизеля является повышенное в ОГ содержание сажи, соединений серы и неприятный запах. 

Применение перспективных горючих материалов. Существенное снижение загрязнения окружающей среды и экономия основных жидких топлив достигается при замене традиционных нефтяных топлив газовым топливом. Это сжиженные пропан-бутановые газы и сжатый природный газ. Использование газового топлива снижает выбросы СО в 2-4 раза, оксидов азота- в 1.1-1.5 и суммарных углеводородов в 1.4-2 раза. Переход на такой вид топлива нецелесообразен, т. к. мощность двигателя снижается на 20%, а грузоподъемность транспортного средства падает на 14%.

 

Перспективное топливо. Перспективность- это:

- наличие достаточных  энерго-сырьевых ресурсов;

- возможность массового  производства;

- приемлемые токсичные  и экономические показатели процесса  использования энергии;

- безопасность и безвредность  эксплуатации.

Углеводородные газы. Токсичность двигателя работающего на газовом топливе, значительно ниже, чем работающего на жидком.

Причины:

- качественное смесеобразование, большая антидетонационная стойкость  (~100 единиц) углеводородных газов  и большая степень сжатия обеспечивает  работу двигателя на обедненных  смесях и как следствие уменьшение  содержания в ОГ СО и СН_х и повышение экономии топлива;

- меньшая температура  в камере сгорания приводит  к снижению в ОГ NO_x;

- герметичная система  топливопередачи исключает испарение  топлива.

К недостаткам, кроме указанных  ранее недостатков, является большая  масса топливной системы, затрудненный пуск двигателя в холодную погоду, возможность взрыва газового баллона.  

Водотопливные эмульсии. Применение воды в рабочем процессе. Это водотопливные эмульсии- жидкое топливо с мельчайшим каплями равномерно распределенной по объему топлива воды. Добавка воды снижает содержание некоторых токсичных веществ в ОГ за счет уменьшения максимальных температур в камере сгорания. Так, количество NO_x снижается на 40-50%, снижается также дымность в результате протекания реакции С (сажа)+Н₂О(NO_x)®СО₂+N₂.

Синтетические спирты. В качестве топлива для ДВС нашли применение метанол и этанол, как в чистом виде, так и в составе многокомпонентных смесей. С энергетической точки зрения преимущество спиртовых топлив заключается в высоком КПД рабочего процесса и высокой антидетонационной стойкости топлива, но теплота сгорания спиртов примерно вдове ниже, чем у основных применяемых жидких топлив. Это ведет к увеличению удельного расхода топлива. Высокие антидетонационные показатели спиртов позволяют повысить степень сжатия ДВС до 14-15 единиц.  Использование спиртовых топлив снижает содержание токсичных веществ в ОГ, особенно NO_x, в 5-8 раз, что связано с меньшей температурой горения топлива.

Водородное топливо.  Использование водорода связано с его высокими энергетическими показателями, отсутствием большинства токсичных веществ в продуктах сгорания (остается только NO_x). При переводе на водородное топливо мощность двигателя снижается на 20-25%. Это связано с ухудшением наполнения цилиндров из-за низкой плотности водорода. Поэтому устанавливается специальная система подачи водорода в цилиндры- при впрыске под давлением. Состав смеси колеблется в широком диапазоне a=0.2-5.