Файл: Петренко, Е. Я. Некоторые особенности работы автотракторных дизелей в высокогорных условиях.pdf

него сгорания. Увеличение веса воздушного заряда при наддуве позволяет соответственно увеличить цикловую подачу топлива и за счет этого увеличить эффективную мощность двигателя.

Поскольку увеличение мощности двигателя достигает­ ся за счет увеличения цикловой подачи топлива, то в этом случае при наддуве увеличивается количество теп­ лоты, получаемой в цилиндрах от сжигания топлива, по сравнению с работой этого двигателя без наддува. Это следует учитывать при использовании наддува для уве­ личения литровой мощности. Чрезмерное увеличение цикловой подачи топлива, вместе с увеличением мощ­ ности, приводит к увеличению теплонапряженности дета­ лей двигателя. Поэтому для дизелей с газотурбонаддувом коэффициент избытка воздуха должен быть выше, чем при работе этого дизеля без наддува, так как при наддуве воздух в двигателе используется не только для обеспечения условий полного сгорания топлива; часть воздуха используется для охлаждения деталей цилинд­ ро-поршневой группы. Чтобы исключить чрезмерную теплонапряженность двигателя, при умеренном наддуве до­ стигают повышения эффективной мощности на 30—35%. При таком повышении мощности среднее эффективное давление автотракторных дизелей составляет 8,5— 9,0 /сг/слг2.

Экспериментами установлено, что при наддуве мощ­ ность механических потерь в двигателе примерно такая же, как и при работе без наддува. Поэтому у двигателей с газотурбинным наддувом механический кпд примерно на 14% вын1е, чем при работе этого двигателя без над­

дува. , • Подача воздуха в цилиндры дизеля под избыточным

давлением улучшает продувку надпоршневого простран­ ства и заполнение его сжатым воздухом во время пере­

62

крытия клапанов. Это способствует повышению коэф­ фициента наполнения, который при умеренном наддуве повышается примерно на 8—12% по сравнению с рабо­ той дизеля без наддува. Современные автотракторные дизели при умеренном наддуве имеют коэффициент на­ полнения т]ук= 0,90—0,98.

Повышение давления воздуха на впуске приводит к повышению давления начала и конца такта сжатия, в результате чего при наддуве улучшается процесс смесе­ образования и сокращается период воспламенения рабо­ чей смеси. Поэтому при наддуве имеется возможность уменьшить степень сжатия и за счет этого снизить на­ пряженность деталей кривошипно-шатунного механизма. Снижение степени сжатия с одновременным увеличением коэффициента избытка воздуха не ухудшает экономич­ ности дизелей при газотурбонаддуве. Как правило, газо­ турбинный наддув и при снижении степени сжатия со­ провождается заметным повышением экономичности.

Если газотурбонаддув применять для увеличения веса воздушного заряда цилиндров двигателя без увели­ чения цикловой подачи топлива, то в этом случае обес­ печивается лучшее протекание рабочего процесса без увеличения нагрузок и температурных напряжений. В ре­ зультате повышения коэффициента избытка воздуха, улучшения смесеобразования и горения уменьшается продолжительность процесса горения. Снижается при этом и теплонаиряжеипость дизелей. Улучшение процес­ сов смесеобразования и горения топлива приводит к по­ вышению индикаторного кпд дизеля, что благоприятно сказывается на экономичности дизелей с газотурбонаддувом.

63

МЕТОДИКА ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ НАДДУВА ДИЗЕЛЯ И ВЫБОР ТУРБОКОМПРЕССОРА

Поскольку эффективная мощность дизелей изменяет­ ся пропорционально удельному весу воздушного заряда, то можно сдерживать падение мощности и экономич­ ности обычных дизелей (без наддува) при работе в вы­ сокогорных условиях, применив для этих целей газотурбонаддув.

При выборе турбокомпрессора нужно знать парамет­ ры наддуваемого воздуха, которые зависят от предпола­ гаемой мощности дизеля и состояния окружающей сре­ ды. Такими параметрами являются удельный вес воз­ душного заряда, давление наддува, степень повышения давления воздуха в турбокомпрессоре и температура нагнетаемого воздуха. Кроме того, нужно знать ожидае­ мый расход воздуха, обеспечивающий нормальное проте­ кание рабочего процесса в цилиндрах двигателя.

Удельный вес воздушного заряда цилиндров дизеля с„ газотурбонаддувом можно определить из формулы:

0,03- V 1г-П-'Х\[]К

где а — коэффициент избытка воздуха; От — расход топлива в кг¡час;

I о - теоретически необходимое количество воздуха для полного сгорания 1 кг топлива в кг/кг]

\ 'Ь — рабочий объем цилиндров двигателя в л; п — скоростной режим работы двигателя в об/мин;

г\юк — коэффициент наполнения.

Из этого уравнения видно, что при прочих равных ус­ ловиях удельный вес воздушного заряда дизеля при над­

64

дуве определяется коэффициентом избытка воздуха и часовым расходом топлива. Если известны значения этих параметров, то из формулы (26) можно найти удельный вес свежего заряда, необходимый для сгорания задан­ ного количества топлива при заданном коэффициенте из­ бытка воздуха.

Вцелях определения давления наддува, при котором

ввысокогорных условиях обеспечится требуемое значе­ ние удельного веса воздушного заряда, исходя из извест­ ных законов термодинамики, преобразуем уравнение воз­ душного заряда, воспользовавшись следующим его ви­

дом:

рессоре; к — показатель адиабаты воздуха;

т]адк— адиабатический кпд компрессора.

Адиабатический кпд компрессора показывает, какая часть полной работы компрессора затрачивается на ади­ абатическое сжатие.

В действительности процесс сжатия в компрессоре является политропным с показателем политропы сжатия около п = 1,6—1,8.

Показатель политропы сжатия не определяется непо­

65

средственно опытным путем, поэтому обычно значение адиабатического кпд находят из выражения:

л - 1

Т-(пк к —I)

— реальное приращение температуры воздуха в компрессоре.

По опытным данным, адиабатический кпд т]адк турбо­ компрессоров для наддува автотракторных дизелей нахо­ дится в пределах 0,6—0,8.

Рассматривая вопросы приведения мощности и удель­ ного расхода топлива быстроходных дизельных двигате­ лей к стандартным атмосферным условиям, С. И. По­ годин и Д. А. Портнов отмечают, что при изменении ат­ мосферных условий адиабатический кпд турбокомпрес­ сора изменяется незначительно и этим изменением мож­ но пренебречь.

Подставляя значения степени повышения давления и адиабатического кпд в уравнение (27), получим уравне­ ние плотности воздуха, нагнетаемого в цилиндры двига­

где ;'и, Р» и Т„ — удельный вес в кг/м3, давление в кг/см2 и температура в °К окружающего воз­ духа в высотных условиях;

Ркн — давление наддува в высотных условиях в кг/см2\

Тц+ A tn= Tы¡— температура иаддуваемого воздуха в высотных условиях в °К.

66

Из уравнения (29) видно, что удельный вес воздуха, нагнетаемого в цилиндры двигателя при постоянных па­ раметрах окружающей среды, в высокогорных условиях изменяется прямо пропорционально давлению наддува РКн и обратно пропорционально температуре наддуваемого воздуха. Чтобы повысить плотность воздушного за­ ряда, нужно или увеличить давление наддува, или обес­ печить понижение температуры наддуваемого воздуха.

Из уравнения (29) можно определить значение тем­ пературы наддуваемого воздуха.

Если предположить, что потери давления и измене­ ние температуры воздуха в трубопроводе между комп­ рессором и цилиндром двигателя очень малы и ими мож­ но пренебречь, а значение среднего показателя политропы сжатия воздуха в компрессоре не изменяется с высотой, то можно определить температуру нагнетаемого воздуха

из уравнения политроппого изменения состояния:

П—1

где п — средний показатель политропы сжатия воздуха в

компрессоре.

Сопоставляя выражения (30) и (31) видим, что они равны между собой. Если решить это равенство относи­ тельно Ркн, то получим уравнение такого е и д э :

Используя это уравнение, можно определить значе­ ние наддува, при котором обеспечивается требуемый

67

удельный вес наддуваемого воздуха с учетом давления и удельного веса окружающей среды.

Определив из уравнения (32) значение давления над­ дува и подставив его в уравнение политропного измене­ ния состояния воздуха (31), можно найти температуру наддуваемого воздуха. При этих значениях давления и температуры наддуваемого воздуха обеспечится удель­ ный вес воздушного заряда, подсчитанный по уравне­ нию (26).

Ожидаемый объемный расход воздуха дизелем при номинальном скоростном режиме работы определится из

При определении удельного веса воздушного заряда нужно учитывать, для каких целей будет использоваться газотурбонаддув.

Если турбонаддув предполагается применять с целью компенсации потерь мощности и экономичности дизелей в высокогорных условиях, то в этом случае нужно обес­ печить на всех высотах такое значение удельного веса воздушного заряда, как и при работе без наддува на уровне моря, т. е. уК11= у0 = сопз1. Постоянный скоростной режим обеспечит постоянство веса воздушного заряда цилиндров двигателя.

При использовании турбонаддува для компенсации потерь мощности и экономичности дизелей в высокогор­ ных условиях нет необходимости изменять цикловую по­ дачу топлива. В этом случае за счет улучшения смесеоб­ разования и горения повышается экономичность двига­ теля и снижается его теплопапряженность по сравнению

68

с работой без наддува с заводскими регулировками топ­ ливной аппаратуры.

В качестве примера в таблице 8 представлены значе­ ния параметров воздушного заряда дизелей для компен­ сации потерь мощности и экономичности при работе на высотах до 3000 м над уровнем моря, подсчитанные по уравнениям (31) и (32). При расчетах условно принято изменение параметров окружающего воздуха с высотой в соответствии с Международной стандартной атмосфе­ рой, а показатель политропы сжатия воздуха в турбо­ компрессоре принят на всех высотах равным п — 1,7.

Таблица 10

Расчетные значения параметров воздушного заряда дизелей для компенсации потерь мощности и экономичности на высотах до 3000 м над уровнем моря

Из этой таблицы видно, что с целью обеспечения по­ стоянства удельного веса воздушного заряда цилиндров дизеля, нужно по мере увеличения высоты увеличивать давление наддува Рк. Это объясняется тем, что с ростом высоты уменьшается давление и удельный вес окружаю­

69