3.1.6. Особенности газообмена при наддуве

Основные отличия газообмена в четырехтактном двигателе при наддуве от газообмена в двигателе без наддува связаны с тем, что воздух (ТВС) поступает в цилиндр не под воздействием разрежения, создаваемого в цилиндре в такте впуска, а нагнетается в цилиндр компрессором. В общем случае во впускной системе устанавливается также охладитель

91

наддувочного воздуха, представляющий собой теплообменник, обычно рекуперативного типа. Охладитель вносит во впускную систему дополнительное сопротивление.

В случае газотурбинного наддува в выпускной системе также появляется дополнительное сопротивление — газовая турбина.

Давление на входе в компрессор можно выразить так: Ро—Ро — где У,(сы) — относительный объемный расход воз­

духа (смеси), равный на номинальном режиме единице; (К(а,)=К(Ы)1К{аш)ш,м)- При такой записи а— падение давления на участке впускной системы от окружающей среды до входа в компрессор на номинальном режиме. Наибольшее сопротивле­ние на этом участке представляет собой воздухоочиститель. Дав­ление на выходе из компрессора р_х можно представить так: Рх — Po^i- где я, — степень повышения давления в компрессоре.

Температура воздуха (смеси) на выходе из компрессора

где и* — показатель политропы сжатия в компрессоре, завися­щий от адиабатного КПД компрессора ^_жад (отношение адиабат­ной работы сжатия в компрессоре к действительной). Чем совер­шеннее компрессор (выше 7/_жад), тем меньше л_ж отличается от показателя адиабаты к. Так как [(«_ж —1)/л_ж]<1, то температура воздуха (смеси) в компрессоре увеличивается в существенно меньшей степени, чем давление.

Среднее по времени давление во впускном коллекторе Pi=Px~где a_t —падение давления на участке впускной системы от выхода компрессора до впускного коллектора на номинальном режиме. Наибольшее сопротивление на этом участ­ке представляет собой охладитель наддувочного воздуха.

Температура воздуха (смеси) перед впускными органами мо­жет быть выражена следующим образом: Т_х— Т_х~ АТ_охл, где АТ_охл — снижение температуры воздуха (смеси) в охладителе.

Плотность воздуха (смеси) перед впускными органами

А

Дополнительное сопротивление выпускной системы вследст­вие наличия в ней турбины турбокомпрессора (ТК) определяется тремя условиями совместной работы двигателя, компрессора и турбины:

• 1. N_X=N_T, где N_x и N_T — мощности компрессора и Турби­не ад Gx

ны; N_x= , /_жад — адиабатная работа сжатия 1 кг воздуха (сме-

Ч*«д

92

к

си) в компрессоре; 4»д= • RT₀(n⁽_s^k~^l>lk— 1), здесь к — показа-

к— 1

тель адиабаты для воздуха (смеси), R — газовая постоянная для воздуха (смеси); G* — секундный расход воздуха (смеси). В урав­нении для Т₀ и я* определяются по параметрам заторможен­ного потока; N_T=l_TSJtG_Tri_w>]_MTK, /_тад — располагаемая работа 1 кг газа при его адиабатном расширении в турбине; /_тад=

=—^,71(1—,т—^тгь здесь к. —показатель адиабаты для ifcj-l \ 7

выпускных газов; R₁ — их газовая постоянная; Т_т — температу­ра газов перед турбиной; я_т — степень понижения давления в ту­рбине, равная р_т/р₂; р, — среднее давление в выпускном коллек­торе (перед турбиной);р₂ — давление за турбиной,р₂=р₀ + а₂V?, У_г — относительный объемный расход выпускных газов, а₂ — перепад давления на участке выпускной системы от турбины до окружающей среды на номинальном режиме; G_T — секундный расход газов; t]_Te — внутренний КПД турбины, равный отноше­нию действительной располагаемой работы к располагаемой ра­боте адиабатного расширения; rj_uTK — механический КПД турбо­компрессора (принято механические потери в ТК относить к тур­бине). В уравнении /_т, Т_г и я_т определяются по параметрам заторможенного потока.

Выражения, записанные выше, справедливы для случая, ког­да можно пренебречь колебаниями давления и температуры;

• 2. 14,=^. Это условие выполняется потому, что колеса компрессора и турбины установлены на одном валу.

0 3. G_r~G_K + G_TOB~Gу,., где G.„,_h —секундный расход топли­ва, Gyj — расход на утечки. Такое соотношение справедливо для двигателей, в компрессоре которых сжимается воздух. Если в ко­мпрессоре сжимается гопливовоздушная смесь, то G_r = G_M~G_yT. В обоих случаях приближенно G_J=G_I.

Из первого условия можно получить взаимосвязь между противодавлением на выпуске р_т и давлением на впуске р_ж:

Из приведенного выражения следует, что противодавление на выпуске р? тем выше, чем выше давление наддува р_х. Другими словами, если требуется более высокое давление наддува, то необходимо

93

Рт—Рг

соответствующим выбором ТК обеспечить большую степень по­нижения давления в турбине. На соотношение pjp₁ оказывают влияние: температура газов перед турбиной, КПД ТК и показа­тели адиабаты для свежего заряда и продуктов сгорания. Увели­чение цтк приводит к повышению pJp_T. Для выбранной системы газотурбинного наддува отношение pJp_T зависит от характери­стик компрессора, турбины и режима работы двигателя.

В двигателе без наддува, как правило, среднее по времени давление на выпуске выше среднего давления на впуске. Для определенных интервалов процесса впуска специальной настрой­кой впускных и выпускных систем можно обеспечить pJp_T> 1. В двигателе с наддувом от приводного компрессора p_tlp₇> 1, что благоприятно сказывается на качестве газообмена. В двигателе с газотурбинным наддувом давление на впуске может быть боль­ше, равно или меньше давления на выпуске,

Давление в цилиндре в конце выпуска на номинальном режи­ме равно р_г=(\, 05... 1,2)/>_т.

В том случае, когда р_т >р_х, в начальный период открытия впускных клапанов может происходить заброс продуктов сгора­ния во впускной трубопровод. В результате этого заброса увели­чивается коэффициент остаточных газов и уменьшается коэф­фициент наполнения.

Заброс можно уменьшить оптимизацией профиля кулачков и соответствующим выбором фаз газораспределения.

Наиболее благоприятны условия осуществления газообмена в дизеле с наддувом от приводного компрессора. В этом случае можно применить «широкие» фазы газораспределения, выбрать большое перекрытие клапанов (до 120... 130 град ПКВ) и обес­печить эффективную продувку и очистку камеры сгорания от ОГ. В пределе (р„—ди второе слагаемое в скобке выражения (3.10) обращается в нуль, что способствует соответствующему повыше­нию коэффициента наполнения. В случае приводного нагнетателя работа газообмена положительна (см. рис. 3.1, б), но имеются дополнительные, большие, чем работа газообмена, затраты на привод компрессора. При наддуве возрастает величина отноше­ния Ра!Pi- Следует также иметь в виду, что выражение (3.10) справедливо приближенно для текущего момента процесса, а от­ношение ра!р_г характеризует ситуацию в конце такта впуска. Если время-сечение впускных клапанов достаточно, то р_а может быть практически равным р_х. Это также способствует увеличению ко­эффициента наполнения.

При наддуве коэффициент теплоотдачи увеличивается (сХт—/>ж *), ^а температурный напор (Г_ж — Гр^.м) уменьшается, так как средняя по поверхности температура деталей T_w увеличивает­ся в меньшей степени, чем температура заряда В частном

случае достаточно высокого наддува без охладителя наддувочного

94

воздуха T_w-T^_a<0 и может происходить не подогрев, а охла­ждение заряда. В результате совместного влияния этих факторов АТ может уменьшаться:

По рассмотренным выше причинам значение коэффициента наполнения при наддуве возрастает. При благоприятном сочета­нии условий т]у приближается к единице. Массовое наполнение цилиндра при наддуве увеличивается как вследствие повышения коэффициента наполнения, так и плотности воздуха перед впуск­ными органами (G_B„= Vtf_vp_k).

При снижении атмосферного давления (например, вследст­вие увеличения высоты над уровнем моря) и повышении тем­пературы окружающей среды снижается коэффициент избытка воздуха, что приводит к повышению температуры газов перед турбиной. Возрастают скорость поступления газов на колесо турбины, частота вращения ротора и, как следствие, давление в компрессоре. Эта обратная связь в определенной степени ком­пенсирует отрицательное влияние параметров окружающей сре­ды на показатели дизеля.

По выражениям, приведенным в п. 3.1.5, можно выполнить качественный анализ влияния различных факторов на показатели газообмена.

Для более детального анализа используются расчеты на ЭВМ. Одна из наиболее простых методик основана на следую­щих допущениях:

параметры свежего заряда перед впускными органами неиз­менны во времени и известны;

в каждый момент времени истечение газов через впускные я выпускные органы является установившимся.

Система уравнений включает уравнения сохранения энергии, состояния и материального баланса.

• Уравнение баланса энергии можно записать в диф­ференциальном виде

dQ_w+dT_I—df_p=dU+dL,

где df_x — изменение энтальпии открытой системы (каковой явля­ется в период газообмена заряд в цилиндре) в результате поступ­ления в него воздуха или смеси (при наполнении) или выхода продуктов сгорания (при забросе); Г_г определяется по параметрам заторможенного потока; d U — изменение внутренней энергии заряда в результате изменения его температуры и количества: dU=c_vTdG+c_vGdT=c_vd(GT). С использованием уравнения со­стояния можно получить

dU~- (pdV+Vdp)\

R

dL — совершаемая зарядом работа; dL=p d V; dQ_w — теплообмен

95