По реальным ценам изготовить корпус из металла предлагаем всем желающим.
Главная Двигатели внутреннего сгорания Наддув двигателей внутреннего сгорания Замкнутый расчет равновесного состояния системы двигатель—турбокомпрессор
Замкнутый расчет равновесного состояния системы двигатель—турбокомпрессор

На номограмме, представленной на рис. 6.21, некоторые пере­менные связаны друг с другом через систему двигатель—выпуск­ной трубопровод — турбокомпрессор. Так, можно найти темпера­туру перед турбиной Т3, изменяющуюся при изменении давления наддува (например, в связи с изменением конструкции турбоком­прессора), только через тепловой баланс. Коэффициенты ? и ? при импульсном подводе газов к турбине являются вспомогатель­ными величинами, которые при изменении режима работы двига­теля также изменяются в связи с изменением волн давления вы­пуска; если вообще вычисляются коэффициенты ? и ?, то только с помощью диаграммы изменения давления, так как изменение температуры, как правило, неизвестно.

Более точным и содержащим больше информации является полный расчет кругового процесса, включая газообмен, но такой расчет в связи с требуемыми затратами времени может быть про­изведен только с привлечением электронно-вычислительных ма­шин. При этом, как правило, достаточно определить изменение давления и температуры в выпускном трубопроводе и вместе с тем энергию, фактически подведенную к турбине, с помощью квазистационарного метода расчета, при котором давление и температура принимаются одинаковыми во всем выпускном трубопроводе.

Схема расчета видна из рис. 6.22. Согласно этой схеме, к ком­прессору подводится в единицу времени масса воздуха GВ, кото­рая (благодаря сравнительно большому объему трубопроводов наддувочного воздуха и подключению нескольких цилиндров), несмотря на прерывное истечение в отдельные цилиндры, может рассматриваться как неразрывный поток Gв = ? dGвп. Давление и температура на входе в цилиндр обозначаются рвп и Твп, а энтальпия — iвп. Количество выпускаемых из цилиндра за рас­сматриваемый угол поворота коленчатого вала отработавших газов, имеющих давление рвып, температуру Тц и энтальпию iвып, равно соответственно dтвът /d?. В выпускном коллекторе объеди­нено столько цилиндров, сколько по одному из разветвленных газовыпускных коллекторов подходит газовыпусков к одному вводу в турбину. В коллекторе или в отдельных выпускных па­трубках частичные потоки газа, выпускаемые из цилиндров, мгно­венно перемешиваются с находящимся в выпускном трубопроводе количеством газа тсм, вследствие чего в этом коллекторе устанав­ливаются давление рсм и температура Тсм (частичный поток, про­текающий через турбину, dmг/d?). В связи с процессами смеши­вания, зависящими от объема трубопровода, параметры в выпуск­ном коллекторе обозначаются особым индексом «см». Так как никакие другие потери давления и теплоты не учитываются, то давление р3 и температура Т3 перед турбиной соответственно равны значениям pсм и Тсм.

Для объема выпускного трубопровода подставляется объем всей ветви трубопровода с общим выпускным патрубком. Так как количество газа, вытекающее в единицу времени из турбины, от­личается от количества газа, поступающего за это же время в вы­пускной коллектор, то перед турбиной имеют место переменные давления и температуры газа (в противоположность допущению, принятому для трубопровода наддувочного воздуха). Этот расчетный метод называют методом наполнения — выпуска; при трубо­проводах не слишком большой длины и объема он удовлетвори­тельно отражает фактические взаимосвязи. Упрощение состоит в том, что при методе «наполнения и выпуска» предпола­гается бесконечно большая скорость звука и мгновенное пере­мешивание содержимого трубопровода.

Процессы в цилиндре. Для цилиндра двигателя можно запи­сать в следующей форме уравнение сохранения энергии:

Приведенные уравнения подобны тем, с которыми мы уже по­знакомились в п. 3.6. Принятые выше условные обозначения также сохранены, в данном случае добавлены только члены для топливоподачи dттоп/d? и для «протекания сгорания» dQтоп /d?.

При iвып = iц из уравнений (6.21) и (6.22) следует

Значения uц, duц/dТц и duц/d?ц численно выражаются как функции от температуры и коэффициента избытка воздуха для сгорания, члены уравнения для впуска и выпуска рассчитываются исходя из функций Фвп и Фвып для впуска и выпуска в соответ­ствии. Другие подробности описаны в соответствующей литературе.

Процессы в выпускном коллекторе. Подобно тому, как для цилиндра, можно составить уравнения сохранения энергии и массы для выпускного трубопровода. Используя обозначения, приведенные на рис. 6.22, получим для баланса энергии

Так как при этом расчете имеет место рсм = р3 и Тсм = Т3, то энергия, фактически подведенная к турбине (Hт ад)n, может быть определена для шагов счета от 1 до n, и отпадает необходи­мость вычисления коэффициентов ? и ? при импульсном подводе газов к турбине.

При практическом применении расчетного метода, кратко изложенного выше, могут различаться следующие случаи.

1. Имеются результаты измерений для определенной рабочей точки данной системы «двигатель + турбокомпрессор» и требуется исследовать влияние различных изменений. Эти изменения могут быть геометрического характера (например, другие фазы газо­распределения или профиль кулачка или размеры турбокомпрес­сора с целью оптимизации системы по какому-то определенному критерию). Однако изменение может относиться и к рабочей точке (нагрузка, частота вращения) при неизменной конструкции си­стемы или к атмосферным условиям (изменения мощности в вы­сотных или тропических условиях).

2. Речь идет о новом двигателе, геометрические данные кото­рого известны, но еще нет данных измерений. Требуется опреде­лить расчетную мощность и установить соответствующие этому режиму параметры.

В обоих случаях закон сгорания должен быть известен или принят. В первом случае он может быть определен из индикатор­ной диаграммы.

В первом случае сначала пересчитываете« точка замера. Для имитации процессов в цилиндре эквивалентный закон сгорания регулируется таким образом, чтобы индикаторный к. п. д. двигателя и давление вспышки совпадали с измеренными значениями. Протекание давления и температуры в выпускном трубопроводе рассчитывается по квазистационарному методу «наполнения, и выпуска», по которому нестационарные процессы для малых интервалов времени рассматриваются как стационар­ные, а трубопроводы — как емкости такого же объема, в которых давление и температура газов, поступающих из цилиндра, мгно­венно выравниваются. Если к одному трубопроводу или экви­валентному ресиверу подключено несколько цилиндров с равными промежутками времени между вспышками, то следует рассчиты­вать процессы только для одного цилиндра; количества газов, выпускаемые из других цилиндров во время газообмена, полу­чаются исходя из рассчитанного для одного цилиндра с учетом сдвига фаз.

Эквивалентное сечение турбины находится из замеренных рас­хода газа и перепада давления; таким же образом может быть определен кажущийся общий к. п. д. турбокомпрессора ?тV из напора компрессора и среднего перепада турбины. При расчете точки замера действительный к. п. д. турбокомпрессора ?т?к подбирается так, чтобы при шаговом расчете баланса мощностей турбокомпрессора получалось фактически замеренное давление наддува. Как правило, ?т?к несколько меньше, чем кажущийся к. п. д. ?тV. Расчет влияния определенных изменений не пред­ставляет особых трудностей.

Во втором случае для определенной рабочей точки двигателя, которая характеризуется средним эффективным давлением ре и частотой вращения n, задаются величины давления наддува рвп и соответствующей температуры Твп. Давление рсм и температура Тсм в выпускном трубопроводе, соответствующие определенному углу поворота коленчатого вала (в трубопроводе имеют место переменные давления и температуры), оцениваются так же, как и эквивалентное сечение Fт экв; к. п. д. ?т?к опреде­ляется из измерений на имеющемся турбокомпрессоре или прини­мается вероятной величины. Необходимо просчитать несколько рабочих циклов, прежде чем совпадут значения в выпускном трубопроводе, т. е. пока давления и температуры, соответствую­щие концу рабочего цикла, не станут равны давлениям и температурам в начале рабочего цикла. Для этого в случае импульсного наддува (при малом объеме трубопроводов) достаточно, как пра­вило, просчета двух или максимум трех рабочих циклов. По сходимости проверяется баланс турбокомпрессора, т. е. устанав­ливается, действительно ли достигается первоначально принятое давление наддува. Если это не так, то следует варьировать Fт экв, при необходимости вместе с ?т?к. Принятие эквивалентного се­чения турбины постоянным или зависящим только от степени расширения газов является некоторым упрощением; кроме того, указанным выше способом нельзя учесть изменение к. п. д. турбо­компрессора при изменении режима работы. Для дальнейшего усовершенствования метода расчета были разработаны вычисли­тельные программы, которые сделали возможной подстановку коэффициентов расхода и значений к. п. д. турбокомпрессора, являющихся действительно определяющими для данного состоя­ния (шага расчета).