К.т.н. Фадеев Д.Ю.

Омский филиал Военной академии тыла и транспорта, г. Омск, Россия

Оптимизация параметров надувочного воздуха в дизелях

Значительного повышения цикловой работы можно добиться путем существенного увеличения теплоты, подводимой в цикле, т. е. за счет увеличения плотности теплового потока:

(1)

где - теплота сгорания топлива;

- скорость поршня;

- коэффициент наполнения;

- плотность воздушного заряда;

- количество воздуха, теоретически необходимое для полного сгорания одного килограмма топлива;

- коэффициент тактности;

- коэффициент избытка воздуха;

Показательно (1), что частично задача повышения плотности энергопотока может решиться за счет увеличения коэффициента наполнения и снижения коэффициента избытка воздуха.

Однако кардинального роста плотности теплового потока можно добиться только повышением плотности воздушного заряда на впуске в двигатель путем его предварительного сжатия, т.е. применением наддува. Но при использовании в системе наддува лишь нагнетателей, сжимающих воздух по политропе с показателем , температура воздуха после нагнетателя возрастает:

, (2)

где - температура окружающей среды;

- давление надувочного воздуха;

- давление окружающей среды.

Соответственно плотность воздуха после нагнетателя снижается:

, (3)

где - индивидуальная газовая постоянная воздуха.

При наддуве плотность энергопотока выразится формулой:

(4)

Анализируя формулу (4), можно отметить, что воздушный цикловой заряд, а вместе с ним и плотность энергопотока, пропорциональны давлению наддува в степени . Пределами показателя политропы сжатия для реальных компрессоров являются его значения 1,6…1,8 [2]. Следовательно, плотность энергопотока увеличивается медленнее по отношению к росту давления наддува. Так, для увеличения плотности энергопотока в два раза необходимо повысить давление наддува в 3,5 раза.

Путем для устранения непропорциональности повышения плотности энергопотока от увеличения давления наддува является снижение температуры надувочного воздуха за счет его охлаждения в охладителях, устанавливаемых в воздухоподводящем тракте дизелей после нагнетателей.

Тогда, если температуру надувочного воздуха сохранить на уровне температуры окружающей среды, то масса циклового заряда и плотность энергопотока будут изменяться прямопропорционально давлению наддува.

В реальных условиях степень охлаждения надувочного воздуха определяется температурой охлаждающего агента охладителя:

, (5)

где - температура воздуха после охладителя;

- температура охлаждающего агента.

В зависимости от вида охлаждающего агента наиболее часто используются водовоздушные и воздухо-воздушные охладители.

Для воздухо-воздушных =, а для водовоздушных равна температуре охлаждающей жидкости в системе охлаждения.

Так для воздухо-воздушного охладителя при, ==, что соответствует изотермическому сжатию (=1), а при отсутствии охлаждения =1,6…1,8 [2].

Достигнутое путем охлаждения надувочного воздуха увеличение количества заряда при снижении температуры может быть использовано в двух основных направлениях:

на дополнительное повышение мощности двигателя;

на снижение теплонапряженности деталей двигателя.

Возможна частичная реализация одновременно двух направлений, что во всех случаях улучшает топливную экономичность.

Однако использование систем охлаждения надувочного воздуха требует оптимизации его параметров, чтобы обеспечить подогрев воздуха при пуске двигателя в холодных условиях и поддержание повышенной температуры воздуха, поступающего в двигатель на холостом ходу и малых нагрузках при низких температурах окружающей среды, компенсировать снижение плотности воздуха в условиях высокогорья.

С учетом высказанного замечания наиболее предпочтительной, особенно при высоких степенях повышения давления, является схема водовоздушного охлаждения. Тем не менее наибольшее распространение в настоящее время по реализованным степеням повышения давления получила система воздуховоздушного охлаждения.

В связи с этим данная система нуждается в регулировании глубины охлаждения надувочного воздуха.

Системы, регулирующие глубину охлаждения надувочного воздуха на автотракторных двигателях, требуют разработки, создания опытных образцов, исследования их влияния как на параметры надувочного воздуха, так и дизелей в целом.

При оценке целесообразности применения охлаждения надувочного воздуха необходимо учитывать следующие особенности:

1. Термодинамически охлаждение надувочного воздуха оправдано, если увеличение индикаторной мощности двигателя превышает значительно затраты мощности на функционирование системы охлаждения надувочного воздуха.

2. Применение системы охлаждения надувочного воздуха может привести к снижению температуры деталей двигателя, повышению их надежности, увеличению размеров двигателя.

Очевидно, что применение охладителя воздуха оправдано только в случае, когда

, (6)

где - величина снижения температуры надувочного воздуха в охладителе;

- величина снижения давления воздуха, вызванная гидравлическим сопротивлением охладителя.

Установлено, что мощность комбинированного двигателя возрастает на 2…4 % при понижении температуры надувочного воздуха на каждые
10 К (при =300…400 К) [1]. Даже в сравнительно малофорсированном дизеле с наддувом типа ЯМЗ охлаждение воздушного заряда цилиндров привело к увеличению массы воздуха, подаваемого в двигатель, коэффициента избытка воздуха и повышению эффективного КПД на 2…4% по сравнению с теми же показателями двигателя без охлаждения надувочного воздуха.

Кроме того, охлаждение воздуха, увеличивая плотность воздушного заряда, позволяет при прочих равных условиях уменьшить давление наддува, а следовательно, снизить затраты на наддув.

Литература

1. Бурячко В.Р. и др. Теоретические основы эффективности энергопреобразования в поршневых двигателях. – С.-Петербург: ВАТТ, 1993.-158 с.

2. Круглов М.Г. и др. Агрегаты воздухоснабжения комбинированных двигателей внутреннего сгорания. – М.:Машиностроение, 1973. -295 с.