4 Согласование характеристик двигателя и компрессора

Кривые мощности и крутящего момента для двигателей

различного назначения.

1- судовой ДВС

2-стационарный ДВС

3-транспортный ДВС

4-«двигатель постоянной мощности» (идеальный)

Кривые получены при полной подаче топлива (полный ход рейки топливного насоса или полное открытие дросселя). Такая характеристика называется «внешней».

5 Частичные характеристики транспортных двс

Скоростные характеристики бензиновых (газовых) ДВС – количественное регулирование ( ) положением дроссельной заслонки (или изменением хода впускного клапана) (изменение количества смеси).

- мощность полной подачи;

- частные характеристики мощности;

M – крутящий момент;

- момент сопротивления.

Скоростная характеристика дизеля со всережимным регулятором – качественное регулирование. Регулирование осуществляется центробежным регулятором. Управление n производится изменением затяжки пружины центробежного регулятора – педалью акселератора («газа») или сектором «газа».

Скоростная характеристика дизеля с двухрежимным регулятором.

Подача топлива топливным насосом и, соответственно , устанавливаются положением рейки топливного насоса педалью акселератора («газа»). Центробежный регулятор ограничивает (предотвращение «разноса двигателя») и (предотвращение заглохания двигателя на холостом ходу).

Регуляторная характеристика тракторных или стационарных

дизелей.

Рассмотрение вопросов согласования совместной работы ДВС и компрессора удобнее, перестроив регуляторную характеристику тракторного ДВС в скоростную с регулятором.

6 Характеристики компрессоров

Объемный компрессор (винтовой)

Центробежный компрессор

π_к – степень повышения давления в компрессоре.

Построение поля линий одинакового к.п.д. по результатам испытаний компрессоров (центробежных).

Аналогично строят поля к.п.д. на характеристиках других типов компрессоров.

Иногда вместо n компрессора наносят на графики значение окружной скорости лопаток компрессора (U).

7 Определение расходной характеристики поршневого двигателя

По результатам стендовых испытаний ДВС с замером подсчитывают и т.д. и строят гидравлические характеристики

или

Где – по параметрам воздуха на входе в компрессор.

π_Т – степень понижения давления в турбине.

Гидравлическая характеристика двигателя

1-винтовая характеристика;

2-внешняя (транспортного двигателя);

3-двигателя «постоянной мощности».

8 Совместные характеристики двигателя и компрессора

Совместная характеристика объемного приводного компрессора и дизеля со всережимным регулятором.

Совместная характеристика центробежного компрессора и дизеля со всережимным регулятором.

Совместная характеристика центробежного компрессора и дизеля с двухрежимным регулятором.

Совместная характеристика центробежного компрессора и дизеля «постоянной мощности» (со всережимным регулятором).

Совмещение режимов работы компрессора и двигателя должно обеспечить большую часть времени работы двигателя в области в зоне повышенных к.п.д. компрессора.

Согласование режимов работы компрессора и турбины

турбокомпрессора

При наддуве ДВС свободным турбокомпрессором (только с газовой связью между турбокомпрессором и ДВС) мощность турбины равна мощности компрессора.

- адиабатический к.п.д. компрессора.

Расход воздуха определяется по потребности ДВС.

- к.п.д. турбины. В механический к.п.д. турбины включен и механический к.п.д. компрессора.

Для ДВС с продувкой цилиндра при перекрытии клапанов

φ- коэффициент продувки.

В современных автотракторных ДВС продувка цилиндров отсутствует. Продувка требует превышение над , что в относительно малоразмерных ДВС с к.п.д. турбокомпрессора не более 50% отсутствует. Кроме того, продувка снижает температуру газа и энергию турбины ТК. Обычно продувка применяется на больших судовых и стационарных дизелях.

Приравнивая

получаем:

В общем случае следует принимать температуры воздуха на входе в компрессор с учетом кинетической энергии воздуха и вместо писать (температуру торможения).

Решая уравнение (3) относительно степени понижения давления в турбине , получим:

Здесь:

- к.п.д. турбокомпрессора.

- механический к.п.д. турбокомпрессора на рассматриваемом режиме.

- соответственно расход газа и механический к.п.д. на расчетном режиме.

, причем большие значения соответствуют турбокомпрессорам больших размеров.

– давление после компрессора;

- давление перед компрессором;

- давление перед турбиной;

- давление за турбиной ( )

из-за сопротивления глушителя, нейтрализатора и т.п.;

из-за сопротивления воздухоочистителя.

Используя балансное уравнение (3) можно определить турбокомпрессора, установленного на двигателе, по результатам испытания ДВС с замером .

Решаем уравнение (3) относительно

Подсчет к.п.д. производят по результатам испытания ДВС по формуле:

К.п.д. турбины подсчитывают как:

Ориентировочно при

Частота вращения колеса центробежного компрессора ТКР

где – напорный адиабатный к.п.д. компрессора:

Для центробежных компрессоров :

	компрессор с диффузором
	безлопаточным	лопаточным
85-110	0,58-0,63	0,65-0,68
140-180	0,63-0,65	0,66-0,66
230-300	0,63-0,65	0,68-0,70
340-380	0,64-0,66	0,68-0,71
500-650	0,65-0,68	0,7 -0,73

В некоторых пособиях (справочник ЦНИДИ – Байков, Бордуков и др., справочник НАТИ – «Тракторные дизели») принимается равным и называется «коэффициент напора компрессора». Он в два раза больше приведенного в таблице напорного адиабатического к.п.д. компрессора. (Тогда формула: ).

Частота вращения ротора турбины

- отношение оптимальной окружной скорости колеса радиальной (центростремительной) турбины (ТКР) к условной скорости газа, соответствующей полному теплоперепаду в турбине.

Для реактивной осевой одноступенчатой турбины , для центростремительной (ТКР)

Из условия получаем:

Но

тогда:

При

Если показатели компрессора и турбины или параметры газа не позволяют обеспечить необходимые степень повышения давления наддува и расход воздуха, можно использовать механическую связь вала ДВС и турбокомпрессора. При превышении над избыточная мощность будет передаваться на вал ДВС.

Средняя температура выпускных газов

Энтальпию заторможенного потока газа во входном сечении турбины, необходимую для определения его располагаемой работы и действительной работы турбины постоянного давления, выражают для идеальных газов через среднюю температуру потока газа. Формулу для расчета средней температуры газа получают, используя уравнение первого закона термодинамики для открытой системы в интегральной форме.

- теплота, вносимая в поршневой двигатель с топливом;

- энергия воздуха, поступающего из компрессора ТК;

– полезная работа ДВС;

- энергия отработавших газов поршневой части ДВС;

– теплота, отдаваемая в окружающую среду;

Уравнение баланса энергии:

Здесь - теплоемкость воздуха.

- температура воздуха после охладителя надувочного воздуха (ОНВ).

- индикаторная работа газов в цилиндре ДВС;

- работа трения;

- работа привода вспомогательных агрегатов;

- работа газообмена (насосных ходов)

– теплота, отдаваемая в систему охлаждения ДВС и радиационные потери;

- теплоемкость выпускных газов;

Тогда уравнение баланса энергии примет вид:

Т.к.

( – низшая теплотворная способность топлива)

( - относительная доля теплоты, уходящая в систему охлаждения, и радиационные потери),

( - среднее давление потерь на газообмен и среднее индикаторное давление),

то:

Решив уравнение относительно , сократив его на , получим:

Средняя температура выпускных газов (вариант)

Полученное значение можно подставлять в формулу для подсчета .

Значения выбираются по статистическим данным от величины коэффициента избытка воздуха (средней скорости поршня). Для дизелей наземного транспорта в интервале можно принять эмпирическую зависимость

- теплота, идущая на охлаждение надувочного воздуха;

- потери на радиацию и другие неучтенные в балансе теплоты потери.

- средняя скорость поршня ДВС, .

- давление газа за выпускным клапаном;

- давление воздуха перед впускным клапаном;

- среднее давление потерь впуска;

- среднее давление потерь выпуска;

Среднее индикаторное давление.

- среднее эффективное давление;

- среднее давление механических потерь;

Среднее давление трения для четырехтактных дизелей с неразделенными камерами сгорания можно выразить ориентировочной зависимостью

- кВт;

- рабочий объем цилиндров ДВС, л.;

-

Эффективный к.п.д. двигателя

- механический к.п.д. ДВС.

Температуру (среднюю) выпускных газов можно рассчитать и пользуясь балансом теплоты ДВС:

– доля теплоты, превращенная в эффективную работу;

- доля теплоты, ушедшей из ДВС с выпускными газами;

В можно включить и

где

В расчетах на ЭВМ можно при переборе различных значений подставлять его в формулу , а значением задаваться, т.к. его разброс меньше разброса .