Автомобиля и потребителей мощности
Глава 9. КОМПОНОВКА ПОЖАРНЫХ
АВТОМОБИЛЕЙ И ИХ ЭКСПЛУАТАЦИЯ
Компоновать, значит составлять целое из частей. Компоновка пожарных автомобилей включает рациональное соединение шасси и пожарной надстройки. Она обеспечивает размещение ПТВ в соответствии с частотой его применения, массой, и главное, с учетом роста пожарных.
Рациональная компоновка способствует организации развертывания пожарных машин для применения на пожаре в минимальное время, в значительной степени облегчает труд пожарных и охрану их здоровья.
Согласование режимов работы двигателя пожарного
автомобиля и потребителей мощности
Потребителями энергии могут быть: генераторы электрического тока, лебедки, компрессоры, приводы механизмов пожарных автолестниц
и автоколенчатых подъемников, а также пожарные насосы на автоцистернах и автонасосах. Мощность небольшая, да и эксплуатируются они 
в основном (кроме пожарных насосов) при постоянных скоростных режимах. Поэтому согласование режимов эксплуатации и двигателя в основном осуществляется по скоростным параметрам. Рассмотрим это на примере рис.9.1. На представлены внешняя (кривая 1) и частичная (кривая 2) скоростные характеристики двигателя.
Кривая 3 характеризует крутящий момент, соответствующий внешней скоростной характеристике (кривая 2). Прямая 4 характеризует максимальную мощность потребителя. Диапазон скоростных его режимов от nм до nк может быть рекомендован для привода потребителя. Зная частоту вращения вала потребителя энергии nп и выбранные обороты двигателя nдв, определяют передаточное отношение привода, i=nп/nд.
Более сложным является согласование режимов эксплуатации пожарных насосов с двигателями.
Исходными данными для согласования является внешняя скоросная характеристика двигателя N=f(n) и рабочая характеристика H=f(Q)
Зависимость N=f(n) определяется формулой кубического трехчлена:
Где 
- максимальная мощность двигателя, кВт
- частота вращения вала двигателя при максимальной мощности, об/мин.
n- частота вращения вала двигателя, об/мин.
Значения a,b и c с достаточной точностью для расчетов можно принимать равными:
для карбюраторного двигателя a=b=c=1
для дизеля a=0.53, b=1.54, c=1.09
Пожарные насосы эксплуатируются в широком интервале величин развиваемых ими напоров и подач воды. Изменения от максимальных до минимальных значений величин напоров и подач воды образуют поле потребляемой мощности насосами. Естественно, что каждой точке этого поля будет соответствовать величина потребляемой мощности. Вот эти мощности и необходимо согласовать с полем мощности, отдаваемой двигателем в стационарном режиме работы двигателя.
Для осуществления процедуры согласования необходимо знать зависимости напоров Н, м, развиваемых насосами, от величин подачи Q, л/с. Такие зависимости H = f(Q) при заданной величине высоты всасывания hвс = 3,5 м и постоянных оборотах вала насоса получают экспериментально. При этом, естественно, определяют мощность N = f(Q) и значение коэффициента полезного действия η.
Было установлено, что изменение Н, N и η в зависимости от величины Q можно выразить аналитически:
уі = Ai + BiQ – CiQ2, (9.2)
где i = 1 – величина напора, м вод. ст.; i = 2 – величина потребляемой мощности, кВт; i = 3 – значение коэффициента полезного действия;
Q – подача насоса, л/с.
В этой формуле постоянные А, В и С приведены в табл. 9.1.
В табл. 9.1 номера по порядку соответствуют значениям индекса i
в формуле (9.2). Значения расходов Q, л/с, задаются при расчетах.
При определении мощности N, потребляемой пожарным насосом, необходимо учитывать ее потери в трансмиссии. При этом будет определена мощность, отдаваемая двигателем. Потери мощности учитываются коэффициентом полезного действия трансмиссии:
(9.3)
где 
– КПД зубчатой передачи; 
= 0,99 – КПД карданного вала; 
– КПД промежуточной опоры; к – количество зацеплений
зубчатых колес или опор карданного вала.
Таблица 9.1
| № п/п | Показатели | Размерность | Константы | ||
| А | В | С | |||
| НЦПН-40/100 Напор Н Мощность N КПД | м кВт % | 92,55 20,6 | 0,815 0,957 3,2 | 0,014 0,036 | |
| НЦПВ-20/200 Напор Н Мощность N КПД | м кВт % | 37,5 | 1,6 1,54 5,38 | 0,1 0,15 | |
| НЦПВ-4/400 Напор Н Мощность N КПД | м кВт % | 17,66 | 15,9 4,8 25,6 | 5,8 5,3 |
С учетом КПД трансмиссии насоса потребляемая им мощность Nп равна
, (9.4)
где 
– мощность, вычисленная на основании формулы (9.2).
Значения Н, N и η, вычисленные по формулам (9.2) и (9.4), характерны только при одной скорости nн вала насоса. Они изображены кривыми аb и a'b' на рис. 9.2.
Для того чтобы определить поле мощности, потребляемой насосом, необходимо построить зависимости Н = f(Q) и N = f(Q) при частоте вращения вала nн2 и nн3. Предположив, что подача воды насосом возможна при 0,5 Нном, выбирают величину nн3. Это соответствует nн3 @ 0,65 nн1. Величину nн2 выбирают в интервале от nн1 до nн3.
Обозначим выбираемую скорость nнх, тогда соответствующие ей значения Q, Н и N определим на основании формулы теории подобия:
. (9.5)
Вычисленные значения Нх и Nх при различных скоростях nN изображают, как показано на рис. 9.2. Поле а'b'd'c' характеризует потребляемую насосом мощность.
Для сопоставления отбираемой от двигателя мощности и мощности, потребляемой насосом, необходимо согласовать частоты вращения вала двигателя nдв с частотами вращения nн вала насоса. Это согласование осуществляется передаточным отношением коробки отбора мощности по формуле
(9.6)
где nN – частота вращения вала двигателя при максимальной мощности,
об/мин; nн1 – номинальная частота вращения вала насоса, об/мин.
  |
Рис. 9.2. Согласование режимов работы двигателя с пожарным насосом
Используя передаточное отношение, легко находят частоты вращения вала двигателя, соответствующие скоростям вала насоса n1= inн1,
n2= inн2 и т. д. Полученные значения частот вращения вала двигателя устанавливаем на оси частот вращения двигателя в третьем квадранте графической схемы расчета. Затем в этом квадранте строим внешнюю скоростную характеристику двигателя и, как указывалось выше, определяем точку K.
Из точек n1, n2и n3 на оси абсцисс опускаем перпендикулярные прямые. На них с помощью горизонтальных прямых c'c'', d'd'' и т. д. находим точки a''e"c"d"f"b". Соединяя эти точки отрезками прямых и кривых линий, определяем поле мощности, потребляемой насосом. Если имеется требуемый запас мощности в точке K, то двигатель будет эксплуатироваться в стационарных условиях работы без перегрева.
Из анализа рис. 10.2 следует, что прямая линия a''b" в третьем квадранте характеризует потребляемую насосом мощность при изменении величин подачи воды от Qmin до Qmax при заданной частоте вращения вала насоса nн1.
Прямая c"d" характеризует потребляемую насосом мощность при частоте вращения вала насоса nн3, соответственно.
Кривая a''c" характеризует изменение потребляемой мощности при минимальной подаче насоса в зависимости от частоты вращения вала насоса (nн3 – nн2 – nн1), а следовательно, и величин развиваемого напора. Кривая a''d" характеризует то же, но при максимальной подаче воды насосом.
В поле мощности, потребляемой пожарным насосом, точка b" характеризует максимальную подачу при nн1 , а точка c" – минимальную подачу при nн3.
Совмещение полей мощности двигателя и насоса позволяет определять и наиболее экономичные по расходу топлива режимы. Для такой оценки на поле мощностей двигателя наносят изолинии удельных расходов топлива.
Изолинии удельных расходов топлива характеризуют его расход
в граммах на один киловатт мощности, потребляемой в течение часа, – г/(кВт·ч). Такие изолинии расхода топлива для одного из дизелей, используемых на ПА, показаны на рис. 9.3.
| |||||||||||||||
| |||||||||||||||
 | |||||||||||||||
| | |||||||||||||||
| |||||||||||||||
| | |||||||||||||||
| |||||||||||||||
| |||||||||||||||
| |||||||||||||||
| |||||||||||||||
| |||||||||||||||
| |
Рис. 9.3. Расход топлива, г/(кВт∙ч),
|
в отработавших газах
|
расходы топлива:
|
выбросы сажи:
5 – 0,05; 6 – 0,1; 7 – 0,2
На поле мощности этого дизеля размещено поле мощности, потребляемой насосом ПН-40УВ a''b"d"c". В этом поле точки b" и a'' соответствуют подаче насоса 40 и 4 л/с при частоте вала насоса nн1 = 2 700 об/мин,
соответственно. Точки d" и c" характеризуют подачу воды 40 и 4 л/с при частоте вращения вала насоса nн3 = 1 700 об/мин, соответственно.
Линии 1–4 характеризуют изолинии расходов топлива, г/(кВт·ч),при различных режимах работы двигателя. Из сравнения удельных расходов топлива при различных режимах работы двигателя следует: удельные расходы топлива уменьшаются при повышении мощности двигателя и частоты вращения его коленчатого вала.
Кроме продуктов полного сгорания – углекислого газа и паров воды,
в выпускных газах двигателей внутреннего сгорания содержатся в небольших количествах вещества, обладающие токсическим действием. Это продукты неполного сгорания топлива: оксид углерода СО, углеводороды различного состава и строения СН, в том числе: пары несгоревшего топлива, сажа (углерод С), а также оксиды азота воздуха NOx.
Оксид углерода СО образуется при сгорании богатой смеси (α > 1) вследствие недостатка кислорода для полного сгорания топлива.
Образование углеводородов СН связано с замедлением реакций окисления в простенном слое топливовоздушной смеси в камере сгорания.
Азот – химически инертный газ. При высокой температуре реагирует с кислородом, образуя NO. В атмосферном воздухе происходит медленное окисление NO в двуокись азота NO2. Ее токсичность значительно выше токсичности NO.
В выпускных газах дизелей образуется сажа. Она сама по себе малоопасна. Однако на ней адсорбируются бенз-а-пирен (полициклический углеводород ароматического ряда), который обладает канцерогенным действием.
Неравномерный расход топлива в поле мощности двигателя, различие режимов его работы являются причиной неравномерного выделения токсичных веществ в отработавших газах двигателя.
Содержание токсичных примесей в отработавших газах двигателя представляют в граммах на один килограмм сгоревшего топлива (г/кг топлива).
Содержание сажи в отработавших газах двигателя представлено
на рис. 9.3 в виде изолиний с различным ее содержанием (кривые 5, 6 и 7). Из рисунка следует, что поле мощности a''b"d"c", потребляемой пожарным насосом, размещено в области с минимальным содержанием сажи в отработавших газах. Ее количество увеличивается при увеличении мощности, развиваемой двигателем, и частоты вращения его коленчатого вала (кривые 5, 6 и 7). Эксплуатация двигателя в области указанных режимов будет сопровождаться увеличением количества сажи в отработавших газах двигателя, следовательно, она нежелательна.
Изолинии равных количеств оксида углерода СО (кривые 1–4) и оксидов азота их газах двигателя, следовательно, она нежелательна.
Изолинии равных количеств оксида углерода СО (кривые 1–4) и оксидов азота NOx (кривые 5, 6 и 7) представлены на рис. 9.4.
| |||||||||||||||
| |||||||||||||||
| |||||||||||||||
| |||||||||||||||
| |||||||||||||||
| |||||||||||||||
| |||||||||||||||
| |||||||||||||||
| |  | ||||||||||||||
|
| |
Рис. 9.4. Выбросы оксида углерода,
г/кг топлива
|
в отработавших газах:
| |
2 – оксид углерода 0,5;
3 – оксид углерода 0,75;
|
|
5 – 0,6; 6 – 0,4; 7 – 0,2
Содержание СО в отработавших газах двигателя увеличивается в области малых значений мощности и частоты вращения коленчатого вала двигателя. Это характерно для работы насоса с малыми подачами и напорами, развиваемыми им. Однако содержание оксидов азота тем больше, чем больше мощности, развиваемые двигателем, и частоты вращения его коленчатого вала. Следовательно, необходимо выбрать какие-то средние режимы эксплуатации двигателя.