3. Определение расхода воздуха двигателем и мощности компрессора

Размеры компрессора определяются по расходу воздуха и требуемой степени повышения давления (_к=р₂/р₁). На индикаторной диаграмме идеального четырёхтактного двигателя с механическим наддувом (рис. 3.1.) видно, что работа газообмена (L_го) (прямоугольник 0-1-2-а-0) положительна.

Т. е. индикаторная работа идеального двигателя равна

[Нм] или [Дж]

где [Дж]. Эту работу создаёт приводной компрессор, т. е. Адиабатная работа компрессора отрицательна, как это видно на рис. 2.2, и равна

[Нм] или [Дж]

(давления р складываются из статической и из динамической частей).

Определим адиабатный напор (или удельную работу) компрессора

если m – масса воздуха, то получаем адиабатную работу компрессора

опуская знак минус получаем работу компрессора

где адиабатный КПД компрессора.

Поскольку G_в = m/t, то мощность компрессора равна

При свободном турбонаддуве работу компрессора обеспечивает газовая турбина. Её работа определяется как

при этом, р₃ как правило, меньше р₂. Для 2-х тактных ДВС должно быть р₃  р₂, так как в этом случае возможна продувка. У 4-х тактных двигателей при малых нагрузках р₃ р₂. На рис. 2.3. приведена диаграмма газовыпускной турбины. Процесс b-3’ осуществляется с показателем политропы n, причём, 1nk. Работа b-3’-a-b частично теряется, переходя в тепло, а частично увеличивает работу турбины на величину 3’-3”-4-4’-3’. Т. к. р₄/р₃  1, то работа получается положительной.

Для расчёта мощности компрессора необходимо знать G_в для данной степени повышения давления р₂/р₁, которая определяется типом двигателя, выбранным уровнем наддува, наличием продувки и т. д.

Расчёт массового расхода воздуха через двигатель – важнейшая предпосылка для выбора компрессора.

Перед расчётом выбирают (или должны быть заданы) мощность двигателя Р_е и коэффициент избытка воздуха . Примем, что применяемое топливо является жидким, нагнетатель сжимает только воздух. При нагнетании смеси объём топлива не учитывается (как малая величина по сравнению с объёмом воздуха). .

По аналогии с удельным расходом топлива

определяем удельный расход воздуха

тогда

При отсутствии информации об индикаторном КПД двигателя его можно оценить по эмпирической формуле Ваншейдта В. А. (предварительная оценка, без учёта степени сжатия, размеров цилиндра, вида камеры сгорания, сорта топлива и т. д.).

, где теоретическое значение при  = 1.

Поскольку

И также ,

то принимая, что Н_u = 41868 [кДж/кг], получаем, что

Если двигатель имеет продувку, то расход воздуха на сгорание топлива суммируется с расходом на продувку. Т. е в этом случае вместо  подставляется _с. Коэффициент продувки _пр=G_{в с}/G_в=_с/ должен быть задан.

Задача 3.1.

Определить удельный расход воздуха двигателем с принудительным зажиганием, если он работает при =1,0 и расходует 0,30 кг /кВтч топлива, для которого l₀ = 14,5 кг возд./кг топл.

Решение.

Задача 3.2.

Определить удельный расход воздуха 4-х тактным двигателем с принудительным зажиганием без наддува, если  = 1,05, _м = 0,82, g_i=0,235кг/кВтч, l₀=14,5 кг/кг.

Решение.

Удельный расход воздуха находим по уравнению

Задача 3.3.

Определить удельный расход воздуха 4-х тактным двигателем с принудительным зажиганием без наддува, если  = 1,05, _м = 0,82, l₀=14,5кг/кг.

Решение.

Удельный расход воздуха находим по уравнению

Оценим индикаторный КПД по соотношению

Тогда

Задача 3.4.

Определить удельный расход воздуха 4-х тактным предкамерным малоразмерным дизелем без наддува и продувки, если  = 1,32, _м = 0,85, l₀=14,3кг/кг, g_e=0,23 кг/кВтч.

(Ответ: 4,34 кг/кВтч).

Задача 3.5.

Определить удельный расход воздуха 4-х тактным среднеразмерным дизелем без наддува и продувки, если  = 1,68, _м = 0,86, l₀=14,3кг/кг, g_e=0,192 кг/кВтч.

(Ответ: 4,61 кг/кВтч).

Задача 3.6.

Определить удельный расход воздуха 4-х тактным двигателем с принудительным зажиганием без наддува и продувки, если =1,05, _м=0,82, l₀=14,5кг/кг, H_u = 4,187010⁷[Дж/кг].

(Ответ: 4,63 кг/кВтч).

Задача 3.7.

Определить удельный расход воздуха двухтактным судовым крупным дизелем без наддува, но с продувкой, если  = 2,0 _м=0,86, l₀=14,2кг/кг, g_i=0,183кг/кВтч, причём, коэффициент продувки

_пр=G_{в с}/G_в=_с/ =1,4.

(Ответ: 8,47 кг/кВтч).

Задача 3.8.

Определить удельный расход воздуха двухтактным судовым крупным дизелем с наддувом и с продувкой, если  = 2,2, _м=0,85, l₀=14,3кг/кг, причём, коэффициент продувки _пр=G_вс/G_в=_с/=1,4, Н_u=42500 кДж/кг.

(Ответ: 9,33 кг/кВтч).

Задача 3.9.

Определить удельный расход воздуха двухтактным высокооборотным малоразмерным бензиновым двигателем (для мотороллера) с принудительным зажиганием, с продувкой, если =0,95, _м=0,75, l₀=14,6кг/кг, g_i=430г/кВтч, причём, коэффициент продувки _пр=G_{в с}/G_в=_с/=1,1.

(Ответ: 8,74 кг/кВтч).

Задача 3.10.

Определить потребную мощность компрессора для двигателя с механическим наддувом (без продувки) если известно следующее: Р_е=100кВт, Н_{к ад}=410⁴ Нм/кг (соответствует давлению наддува 1,55 бар); _кад=0,55; =1,1; g_e=0,238 кг/кВтч; l₀=14,5 кг/кг.

Решение.

Мощность компрессора определяем по соотношению

Тогда

Задача 3.11.

Определить потребную мощность компрессора для двигателя с механическим наддувом (без продувки) если известно следующее: Р_е=120кВт, Н_кад=4,110⁴ Нм/кг (соответствует давлению наддува 1,55 бар); _кад=0,5; =1,5; g_e=0,220 кг/кВтч; l₀=14,3 кг/кг.

(Ответ: 12,9 кВт).

Задача 3.12.

Определить потребную мощность компрессора для двигателя с механическим наддувом (без продувки) если известно следующее: Р_е=200кВт, Н_{к ад}=610⁴ Нм/кг (соответствует давлению наддува 2,1 бар); _кад=0,56; =1,4; g_e=0,215 кг/кВтч; l₀=14,5 кг/кг.

(Ответ: 26 кВт).