При эксплуатации двигателей без наддува или с механическим наддувом общепринятым является предположение, что среднее индикаторное давление и индикаторная мощность (при постоянной частоте вращения) пропорциональны количеству воздуха в цилиндре, т. е. что соотношение воздух—топливо сохраняется неизменным.
Так как коэффициент наполнения не зависит от давления, но несколько возрастает с увеличением температуры и так как при наличии влажного воздуха необходимо учитывать содержание водяного пара, то в пересчетных формулах предусмотрено, что индикаторная мощность прямо пропорциональна внешнему давлению, уменьшенному на парциальное давление водяного пара, и обратно пропорциональна внешней температуре в степени 0,7. Эта степень учитывает возрастание коэффициента наполнения при увеличении температуры.
У двигателей с турбонаддувом количество заряда зависит не непосредственно от внешнего состояния, а от того, как реагирует турбокомпрессор на изменение параметров на впуске и на изменение мощности, т. е. какое состояние воздуха или смеси он обеспечивает перед впускными органами двигателя.
Проблема пересчета мощности усложняется еще несколько тем, что дизели с наддувом часто работают с более чем достаточным коэффициентом избытка воздуха для сгорания, в связи с чем предел мощности определяется не коэффициентом избытка воздуха в цилиндре и зависящим от него потемнением отработавших газов, а другими факторами. Этими факторами могут быть: частота вращения турбокомпрессора, максимальное давление газов в цилиндре, температура выпускных газов (например, принимая во внимание термическую напряженность выпускных клапанов или турбинных лопаток) или термическая нагрузка деталей, образующих камеру сгорания. Как правило, при исходной мощности в нормальных условиях достигается допустимое граничное значение только одного из перечисленных факторов, а остальные еще далеки от пределов. Допустимая мощность при условиях, в которых эксплуатируется двигатель, должна выбираться такой, чтобы ни один из этих факторов не выходил за допустимые пределы.
На мощность двигателя с наддувом при понижении внешнего давления может оказывать влияние конструкция турбокомпрессора. Если, например, благодаря соответствующей настройке турбокомпрессора (высотный компрессор с более высокой степенью повышения давления, применено охлаждение наддувочного воздуха) состояние воздуха на впуске при пониженном давлении будет равно исходному состоянию при нормальных условиях, то с увеличением высоты вообще не потребуется уменьшать мощность. В этом случае количество заряда в цилиндре останется практически неизменным, и суммарный расход воздуха через двигатель, влияющий на температуру выпускных газов, также не уменьшится при понижении внешнего давления. В связи с тем, что мощность двигателя с турбонаддувом может быть ограничена различными факторами, что равновесное состояние турбокомпрессора устанавливается в зависимости от внешнего состояния и выбранной рабочей точки двигателя и что, наконец, турбокомпрессор может быть приспособлен к эксплуатационным условиям различными способами (например, за счет сужения соплового аппарата или выбора ТК меньших размеров), проблема установления мощности в зависимости от внешнего давления и температуры является очень сложной. Это подтверждается большим количеством публикаций об экспериментальных и расчетных исследованиях.
В настоящее время с помощью расчетного метода, можно определить с достаточной степенью точности мощность двигателя, максимально допустимую при изменившихся внешних условиях. В табл. 8.1 приведен пример такого расчета для дизеля с турбонаддувом и охлаждением наддувочного воздуха, имеющего в исходном состоянии среднее эффективное давление 12,43 бар.
В графе 3 таблицы указаны важнейшие параметры, значения которых были замерены для исходного состояния при внешнем давлении 0,981 бар и температуре на всасывании 301 К. Значения, представленные в графах с 4 по 9, являются результатами расчета при неизменных геометрических параметрах двигателя и турбокомпрессора и при протекании процесса сгорания, полученного на базе замеренных значений из графы 3. Для всех этих граф внешнее давление составляет р0 = 0,674 бар, что соответствует высоте над уровнем моря ~3500 м. Температура на всасывании для всех примеров принималась неизменной Т0 = 301 К, поскольку целью расчетов было определение влияния внешнего давления.
При вычислении значений в графах с 4 по 6 предполагалось подведение такого же количества теплоты, как и в исходном состоянии (Qтоп const, строка 14), величина к. п. д. турбокомпрессора ?тк (строка 10) варьировалась при исходном значении 51,1% от 48,5 до 53,5%. Для регулировочной закономерности Qтоп = const, которая применяется преимущественно в случае автомобильных и тепловозных двигателей, является допущением, что двигатель при исходной мощности имеет еще запасы по частоте вращения турбокомпрессора, температуре выпускных газов, тепловой нагрузке и избытку воздуха (в связи с удалением от границы дымления), так как частота вращения компрессора пк (строка 9), температура на входе в турбину Т3 (строка 11) и теплоотвод в стенки Qст (строка 15) повышаются, а коэффициент избытка воздуха для сгорания ? (строка 16) при этих допущениях снижается. Одновременно падает максимальное давление в цилиндре рz (строка 18), т. е. уменьшается механическая нагрузка двигателя. Влияние к. п. д. турбокомпрессора на параметры дизеля, за исключением температуры выпускных газов, незначительно; при понижении внешнего давления на 31,5% мощность уменьшается лишь на 2,5—1,5%.
В графе 7 представлены расчетные значения параметров дизеля для неизменной тепловой напряженности, характеризуемой Qcт = const; к. п. д. турбокомпрессора при этом принимался постоянным. Мощность при понижении внешнего давления на 31,5% падает на 8,5% и составляет 91,5% от исходной величины, что связано с соответствующим уменьшением количества впрыскиваемого топлива и теплоподвода Qст. Частота вращения турбокомпрессора и температура газа перед турбиной по сравнению с исходным состоянием повышаются, а коэффициент избытка воздуха для сгорания и максимальное давление сгорания уменьшаются.
![](/images/stories/Nadduv-dvigatelej/chast-2/1-49/30.gif)
![](/images/stories/Nadduv-dvigatelej/chast-2/1-49/31.gif)
Для расчетных значений в графах 8 и 9 принималась такая же степень повышения давления, как в исходном состоянии, т. е. nk = const. Так как в этом случае — при равной температуре на всасывании — объемный расход воздуха через двигатель остается приблизительно постоянным, то турбокомпрессор как со стороны компрессора, так и со стороны турбины работает в одной и той же точке характеристики. Только для этой регулировочной закономерности — при неизменной характеристике турбокомпрессора и положении рабочей точки — правомочно предположение постоянного к. п. д. турбокомпрессора. Вследствие равенства мощности турбины и компрессора температура на входе в турбину должна быть такой же, как и в исходном состоянии; небольшие отклонения обусловлены вторичными влияниями, например неодинаковым воздействием пульсации газов при различных уровнях давления.
Параметры в графах 8 и 9 приведены для различных моментов впрыска и воспламенения. В то время как для параметров в графе 8 момент впрыска был таким же, как в исходном состоянии (графа 3), и только протекание процесса сгорания в соответствии с определенными закономерностями регулировалось для более низкого уровня давления, для расчета значений графы 9 начало впрыска было принято с опережением 2° п. к. в. Как видно из графы 8, мощность уменьшилась на 27,7% (до 72,3% от исходной), а в графе 9 — на 25% (до 75% от исходной). Таким образом, снижение мощности было явно меньше, чем падение плотности окружающего воздуха, составлявшее 31,5%. Среднее индикаторное давление в последнем случае снижалось вообще лишь на 22,5%. То, что мощность при равном объемном расходе воздуха через двигатель и при той же рабочей точке турбокомпрессора не пропорциональна плотности окружающего воздуха, связано с изменением в распределении потерь теплоты: на теплоту, отводимую стенками, и теплоту, уносимую выпускными газами, при изменении уровня давления (Qст ~ р0,78). Так как отношение теплоты, отводимой стенками, к теплоте, подводимой с топливом, с понижением давления возрастает, то для достижения равной температуры выпускных газов (равного отношения теплоты, уносимой выпускными газами, к теплоте, подводимой с топливом) может быть впрыснуто относительно большее количество топлива, чем то, которое соответствует степени повышения плотности.
Следует отметить, что при регулировочном законе «равная степень повышения давления воздуха в компрессоре» частота вращения компрессора и температура выпускных газов остаются постоянными или почти постоянными, а максимальное давление в цилиндре и теплота, отводимая стенками, уменьшаются. Вследствие этого турбокомпрессор при таком регулировочном законе нагружен так же, а двигатель имеет меньшую как механическую, так и термическую напряженность. Только коэффициент избытка воздуха для сгорания несколько уменьшается, что, однако, как правило, не является причиной для отказа от этого регулировочного закона, поскольку величина ? у дизелей с наддувом не достигает предельно допустимых значений. В приведенном примере ? = 1,798 (графа 9, строка 16) имеется еще достаточный избыток воздуха и для более низкого внешнего давления.
Так как шаговый расчет рабочего цикла по приведенным выше примерам является сложным и так как подобные расчетные программы имеются не везде, Международная конференция по двигателям внутреннего сгорания (СIМАС) рекомендовала следующую формулу для четырехтактных двигателей с наддувом, пригодную как для корректировки результатов стендовых испытаний на нормальные условия, так и для пересчета мощности на измененные условия применения двигателя:
![](/images/stories/Nadduv-dvigatelej/chast-2/1-49/32.gif)
где ? - мощностной фактор; К — относительное изменение индикаторной мощности; а — фактор влажности; N и Ni — эффективная и индикаторная мощности; ?mн — механический к. п. д. двигателя в начальных условиях; Ф — относительная влажность, %; р — абсолютное давление окружающего воздуха; рs — давление насыщения водяного пара; Т — абсолютная температура окружающего воздуха; Тс — абсолютная температура охлаждающей среды на входе в охладитель наддувочного воздуха.
Индексы означают: н — начальные условия, которые могут соответствовать нормальным или задаваемым изготовителем и при которых двигатель может отдавать свою полную мощность; х — измененные внешние условия.
Для показателей степеней определены следующие числовые значения:
![](/images/stories/Nadduv-dvigatelej/chast-2/1-49/33.gif)
Пересчет удельного расхода топлива основан на упрощающем предположении, что отнесенный к индикаторной мощности расход остается неизменным, что, конечно, справедливо лишь приближенно. Отсюда следует, что отнесенный к эффективной мощности расход изменяется обратно пропорционально механическому к. п. д., который может быть выведен из уравнений (8.4)—(8.6) следующим образом:
![](/images/stories/Nadduv-dvigatelej/chast-2/1-49/34.gif)
Приведенные показатели степени, справедливые и для двигателя, конструкция которого неизменна при нормальных условиях и условиях применения, были выбраны так, чтобы в обоих случаях из вычислений получалась примерно равная температура выпускных газов (температура на входе в турбину). Это дает (за исключением случая уменьшения коэффициента избытка воздуха) наиболее сильное снижение мощности при уменьшающемся давлении или повышающейся температуре: при использовании этой формулы не требуется знать, какой фактор ограничивает мощность данного двигателя при исходных условиях.
Почти всегда имеющий место факт, что у дизелей с наддувом коэффициент избытка воздуха не принимает предельно допустимых значений, позволяет пренебречь влиянием влажности, т. е. принять коэффициент ? равным нулю. Если у интересующего нас двигателя температура выпускных газов — или частота вращения турбокомпрессора, если рассматривается изменение внешнего давления — еще допускает дальнейшее повышение, то пересчет мощности производится по указанной выше формуле исходя не из нормальных условий, а из эквивалентного состояния, при котором достигается допустимая температура выпускных газов или допустимая частота вращения турбокомпрессора.
![](/images/stories/Nadduv-dvigatelej/chast-2/1-49/35.gif)
По эмпирическим данным для равной цикловой подачи топлива (рейка топливного насоса на упоре) могут быть приняты изменения важнейших эксплуатационных параметров, ограничивающих мощность (табл. 8.2).
|