Эффективность эжекционного охлаждения наддувочного воздуха и особенности ее экспериментальной оценки

Эффективность системы эжекционного охлаждения оценивается комплексом параметров: коэффициентом эжекции, КПД эжектора и тепловой эффективностью охладителя, которые зависят от режима работы двигателя. Экспериментальное определение эффективности эжекционного охлаждения наддувочного воздуха [1] в дизеле с газотурбинным наддувом и параметров эжектора и охладителя наддувочного воздуха осуществляется с использованием соответствующей методики исследования. Согласование параметров эжектора и охладителя и результатов расчетного анализа системы охлаждения наддувочного воздуха с использованием разработанной методики производится на экспериментальной установке.

При этом необходимо решить следующие задачи:

• 1)    разработать экспериментальную установку, позволяющую определять параметры эжектора в зависимости от параметров эжектирующего газа по внешней скоростной характеристике двигателя;

• 2)    определить эффективность эжектора (коэффициент эжекции и КПД эжектора) на различных режимах работы двигателя.

Расчет и конструирование

Программа экспериментальных исследований включает:

• 1)    разработку методики проведения экспериментальных исследований;

• 2)    подготовку стендового оборудования для испытаний;

• 3)    подбор датчиков и измерительных устройств;

• 4)    выполнение экспериментальных исследований.

Для решения поставленных задач в ходе подготовки к эксперименту в двигателе и элементах системы охлаждения устанавливаются датчики и устройства, позволяющие в процессе испытаний осуществлять регистрацию исследуемых параметров.

Особенности системы эжекционного охлаждения наддувочного воздуха

В традиционных системах охлаждения наддувочного воздуха рассеивание отведенной теплоты осуществляется, как правило, с использованием вентилятора с механическим или электрическим приводом в качестве источника воздушного потока [2–4]. Применение вентиляторных систем охлаждения характеризуется потреблением значительной мощности на привод [5–7].

Особенностью системы эжекционного охлаждения наддувочного воздуха является снижение затрат энергии на создание воздушного потока через охладитель и потерь мощности двигателя на функционирование системы газообмена [8, 9] использованием газового эжектора.

Система эжекционного охлаждения, благодаря отсутствию подвижных частей и простоте конструкции, обеспечивает высокую эксплуатационную надежность. Использование системы эжекционного охлаждения сопровождается смешением отработавших газов с охлаждающим воздухом на выпуске и снижением температуры смешанного потока (рис. 1), в результате чего улучшаются экологические показатели двигателя.

В исследуемой системе воздух из атмосферы поступает в компрессор, где его давление и температура возрастают. После компрессора он направляется в охладитель наддувочного воздуха (ОНВ), где теплота от наддувочного воздуха отводится охлаждающим воздухом, циркулирующим через матрицу охладителя из окружающей среды. Непрерывный поток охлаждающего воздуха через матрицу ОНВ создается эжектором. После охлаждения в ОНВ воздушный поток от компрессора направляется во впускной трубопровод и далее в цилиндры двигателя.

Рис. 1. Схема системы эжекционного охлаждения наддувочного воздуха

Газооыи эжектор

Атмосферный Воздух Наддувочный Воздух Отработавшие газы Смешанный поток

Поток отработавших газов из цилиндров двигателя поступает через выпускной трубопровод в корпус турбины турбокомпрессора, где тепловая энергия отработавших газов преобразуется в механическую энергию вращения колеса турбины. На выходе из турбины поток отработавших газов направляется в эжектор. Отработавшие газы, истекающие через сопло эжектора с большой скоростью во всасывающую камеру эжектора и создающие понижение давления, увлекают за собой атмосферный воздух и обеспечивают его циркуляцию через матрицу охладителя.

Экспериментальная установка для определения эффективностисистемы эжекционного охлаждения наддувочного воздуха

Для оценки эффективности системы эжекционного охлаждения наддувочного воздуха опытным путем разработана экспериментальная установка, имитирующая движение потоков наддувочного и охлаждающего воздуха. Основными элементами экспериментальной установки являются: двигатель внутреннего сгорания с турбокомпрессором, охладитель наддувочного воздуха, газовый эжектор и соединительные трубопроводы (рис. 2).

Рис. 2. Схема экспериментальной установки

В ходе эксперимента моделируется процесс охлаждения наддувочного воздуха с помощью эжекционного эффекта. На схеме установки показаны места расположения датчиков и приборов для измерения параметров потоков в контрольных точках и направление потоков газов.

Методика экспериментального исследования эффективности системы эжекционного охлаждения наддувочного воздуха

В процессе экспериментального исследования анализируются параметры газового и воздушного потоков в системе при имитации следующих режимов работы двигателя: холостого хода, номинальной мощности и максимального вращающего момента [10-12].

В точках а и b измеряются температура и давление наддувочного воздуха после компрессора Т _к, p _к и после охладителя T s , p s . В процессе эксперимента измеряются температура Т ₀ и давление р ₀ окружающего воздуха перед охладителем наддувочного воздуха. Температура Т о _хл и давление р _охл атмосферного охлаждающего воздуха на выходе из матрицы охладителя измеряются в точке c .

Расчет и конструирование

Расход G охл , температура Т охл вх и давление р охл вх атмосферного охлаждающего воздуха на входе в эжектор измеряются в точке d . В точке е измеряются температура Т г и давление p г отработавших газов на входе в сопло эжектора. Температура Т см и давление p см смеси охлаждающего воздуха и отработавших газов на выходе из камеры смешения эжектора измеряются в точке f .

Измеряемые величины и измерительная аппаратура представлены в таблице.

Измеряемые величины и измерительная аппаратура

Измеряемая величина	Оборудование	Класс точности	Пределы измерений
Частота вращения коленчатого вала двигателя n , мин–1	Штатный тахометр	2	0…3500
Расход топлива двигателем, G т , кг/ч	Цифровое весовое устройство	НСИ	0...50
Температура окружающего воздуха, t о, °С	Ртутный термометр	1,5	–50...+50
Температура отработавших газов, t г , °С	Датчик температуры МТ-102-К-4х20х2	1,5	0...900
Температура наддувочного воздуха, t к , °С	Датчик температуры МТ-102-К-4х20х2	1,5	0...150
Атмосферное давление, p о, кПа	Барометр-анероид БР-52	2	95,6...104,4
Давление отработавших газов, р г, МПа	Манометр технический МТ-63	2,5	0...0,6
Давление наддувочного воздуха, р к, МПа
Давление охлаждающего воздуха, р охл, мм вод. ст.	U-образный водяной манометр	НСИ	+250...–250
Расход воздуха двигателем, G в , кг/ч	Штатный расходомер (ДМРВ) двигателя	1,5	0...100
Расход охлаждающего воздуха, G охл , кг/ч	Штатный расходомер (ДМРВ) двигателя	1,5	0...100

Измеряя параметры потоков в контрольных точках, можно рассчитывать интересующие параметры элементов системы для каждого режима работы двигателя.

Эффективность системы эжекционного охлаждения оценивается комплексом параметров: коэффициентом эжекции u , КПД эжектора η и тепловой эффективностью охладителя Е на каждом режиме работы двигателя [13, 14].

Одним из главных параметров является коэффициент эжекции, который определяется как отношение расхода охлаждающего атмосферного воздуха, прошедшего через охладитель (контрольная точка d ), к расходу отработавших газов (контрольная точка е ) [15, 16].

Коэффициент эжекции определяется u = GO',                                                                                              (1)

Gг где u – коэффициент эжекции; Gг – расход отработавших (эжектирующих) газов, кг/ч; Gохл – расход охлаждающего (эжектируемого) воздуха, кг/ч.

Расход эжектирующих газов на входе в сопло эжектора определяется [17, 18]

G r = G т + G e ,                                                                           (2)

где G _т – расход топлива двигателем, кг/ч; G _в – расход воздуха двигателем, кг/ч. КПД эжектора определяется следующей зависимостью

_n = u ⁽ e см

e охл ) ^e см^,

e г -

где η – КПД эжектора; e – удельная эксергия потока, Дж/кг.

Для каждого из интересующих сечений рассчитываем удельные эксергии:

e = c P ( T ^- T o.c ) ¹

T o.c

T cp 7

+ RT ocln -^- p o.c ,

где с р – удельная теплоемкость, Дж/кг·К; Т о.с , р о.с – температура и давление рабочего тела в состоянии равновесия с окружающей средой. Обычно принимают Т о.с = 293 К, р о.с = 0,1 МПа; T – температура в рассматриваемом сечении, К.

т

cp

Т-Т.

o.c

ln ^T .

т

o.c

Эффективность системы эжекционного охлаждения наддувочного воздуха можно оценить с помощью тепловой эффективности охладителя наддувочного воздуха [19, 20].

Тепловая эффективность охладителя наддувочного воздуха определяется согласно

т

E = T--^, Тк - -о где E – тепловая эффективность; Tк – температура наддувочного воздуха на входе в охладитель, К; Ts – температура наддувочного воздуха на выходе из охладителя, К; T0 – температура окружающего воздуха, К.

Данные, полученные в результате экспериментальных исследований для каждого режима работы двигателя, заносятся в таблицу.

Процесс обработки экспериментальных данных на основе известных методов математической статистики осуществляется в два этапа:

• 1.    Непосредственно после окончания опыта выполняется экспресс-обработка с целью предварительной оценки характера исследуемого процесса, уточнения режимов и методики испытаний.

• 2.    Полная обработка выполняется после завершения всего запланированного объема экспериментальных исследований.

После этого делается вывод об общей эффективности и о наилучших режимах работы сис- темы.

Таким образом, разработанная методика и схема экспериментальной установки позволяют корректно оценить эффективность системы эжекционного охлаждения наддувочного воздуха и определить с достаточной степенью точности наилучшие режимы работы данной системы.