Эффективные показатели работы двс – Эффективные показатели работы двигателя. Определение его основных размеров

3.7. Эффективные показатели двс

Часть индикаторной мощности, развиваемой продуктами сгорания, расходуется в самом двигателе и не может быть использована, т.к. эта мощность тратится на обеспечение работы двигателя. Эта мощность называется мощностью механических потерь и слагается из следующих:

Nтр – потери мощности на трение, которые составляют бóльшую часть механических потерь. Эти потери вызываются трением во всех сопряженных парах: поршневые кольца – цилиндр, шейки распределительного и коленчатого валов – подшипники и т.д. К возрастанию потерь индикаторной мощности приводит также ухудшение технического состояния двигателя, нарушение нормальной работы систем смазки и охлаждения и т.д.

Nнас – потери мощности на совершение насосных ходов – в двухтактных двигателях отсутствуют.

Nвсп – потери мощности на привод навешенных механизмов двигателя, без которых работа двигателя невозможна – это потери на привод регулятора частоты вращения, топливного, масляного и водяного насосов, воздушного компрессора (если он приводится в действие от двигателя).

Nвент – потери мощности на вентиляцию – учитывают расход мощности на трение между движущимися деталями и воздухом. Эта потеря растет с увеличением частоты вращения двигателя.

Очевидно, что механические потери должны представлять сумму перечисленных потерь, т.е.

Nм=Nтр + Nнас + Nвсп + Nвент. (8)

Механические потери оцениваются также средним давлением механических потерь рм и механическим КПД ηм.

р

м – условное постоянное давление, на преодоление действия которого на поршень в течение одного хода затрачивалась бы работа, равная работе механических потерь одного цикла.

После рассмотрения механических потерь целесообразно перейти к эффективным показателям ДВС, к которым относятся среднее эффективное давление ре, эффективная мощность Nе, эффективный КПД ηе, и удельный эффективный расход топлива bе.

Средним эффективным давлением ре называется среднее условное постоянное давление, действующее на поршень на рабочем ходе и совершающее работу, эквивалентную полезной эффективной работе, передаваемой через выходной фланец коленвала на винт или другой потребитель.

Из выше приведенного в этом параграфе материала следует, что среднее эффективное давление должно учитывать кроме тепловых все механические потери и должно определяться формулой

ре = рi – рм. (9)

Эффективная мощность, так же как и ре, учитывает тепловые и механические потери. Поэтому

Nе = Ni – Nм. (10)

Для перехода от Ni к Nе используется механический КПД ηм, значение которого является паспортной величиной двигателя и по результатам стендовых испытаний известно для всех основных режимов

Nе = N

i ηм. (11)

По аналогии с Ni формула для определения Nе выглядит следующим образом:

. (12)

Также по аналогии с индикаторным КПД

, (13)

где – удельный эффективный расход топлива в кг/кВт·ч.

Между рассмотренными КПД двигателей существует зависимость

. (14)

Следует отметить, что если bi и Ni являются расчетными величинами, bе и Nе определяются непосредственными измерениями. Опытные значения удельного эффективного расхода топлива и эффективного КПД приведены в таблице 1.

Таблица 1

bе, кг/кВт·ч

ηе

Малооборотный двигатель

0,160–0,205

0,54–0,42

Среднеоборотный двигатель

0,165–0,215

0,52–0,40

Высокооборотный двигатель

0,21–0,225

0,41–0,38

Высокооборотный (D<0,18 см) двигатель

0,230–0,250

0,38–0,34

2.3. Индикаторные и эффективные показатели двигателя

2.3.1. Индикаторные показатели рабочего цикла

Индикаторные показатели характеризуют эффективность действительного рабочего цикла. К индикаторным показателям относятся среднее индикаторное давление Pi, индикаторная мощностьN

i, индикаторный КПДηiи индикаторный удельный расход топливаgi.

Средним индикаторным давлениемназывают такое условное, постоянное по величине давлениеPi,которое, действуя на поршень, совершает работу за один его ход от ВМТ до НМТ, равную полезной работе газов за рабочий цикл (рис. 2.8). Работа газов равна площади заключенной внутри индикаторной диаграммы. Полезная работа газов за один цикл определяется разностью площадейF1иF2.

Рис. 2.8. Индикаторная диаграмма и среднее индикаторное давление

Расчетная работа газов в цикле дизеля, без учета работы насосных ходов, равна сумме работ изобарного процесса предварительного расширения и политропного процесса расширения, исключая работу политропного процесса сжатия:

.

Выразив составляющие:

и подставив в них выведенные ранее формулы:

получим выражение:

.

Как видно из рис. 2.8, расчетную работу за цикл можно выразить следующим образом через расчетное среднее индикаторное давление

Ppi:

.

Приравняв два выражения расчетной работы газов за цикл и подставив известные соотношения:

; ,

получим выражение для расчетного среднего индикаторного давления для дизельного двигателя:

или

.

Для карбюраторных ДВС, где

, ,расчетное среднее индикаторное давление определяется следующей формулой:

,

, д = 0,92…0,97.

Индикаторная мощность– это мощность, развиваемая газами в цилиндре двигателя.

где τ – число тактов рабочего цикла.

В реальном цикле помимо теоретически неизбежных тепловых потерь (отвод теплоты холодному источнику) часть теплоты теряется вследствие неполного сгорания топлива, отвода тепла в окружающую среду и с отработанными газами. Степень использования теплоты в реальном цикле оценивается

индикаторным КПД– это отношение индикаторной работы, к расчетной теплоте сгорания топлива.

где G – количество топлива сгоревшего в цикле.

Связь между индикаторным КПД и средним индикаторным давлением выражается формулой:

,

где ρо– плотность воздуха.

Показателем, который характеризует экономичность действительного цикла, является удельный индикаторный расход топлива,равный отношению часового расхода топливаGТк индикаторной мощности

.

Связь между удельным индикаторным расходом топлива и индикаторным КПД выражается формулой:

.

2.3.2. Эффективные показатели рабочего цикла

Часть индикаторной мощности двигателя затрачивается на преодоление трения в сопряженных узлах двигателя и на привод вспомогательных механизмов. Поэтому мощность, развиваемая на валу двигателя и отдаваемая силовой передаче машины, всегда меньше индикаторной. Эта мощность называется эффективной мощностью двигателя:

,

где Ne – эффективная мощность в кВт;

NM – мощность, затрачиваемая на преодоление трения в сопряженных узлах двигателя и на привод вспомогательных механизмов.

Средним эффективным давлениемPeназывают условно постоянное давление, при котором работа газов, произведенная в цилиндрах двигателя за один ход поршня, равна эффективной работе за цикл.

Если составляющие потерь выразить через среднее давление трения, равное работе трения, отнесенной к 1м3рабочего объема цилиндра, то

,

где Pe – среднее эффективное давление МПа;

PM – среднее давление трения, МПа.

Между средним давлением трения и числом оборотов двигателя, на основании опытных данных, установлены следующие соотношения:

для карбюраторных ДВС

где n – частота вращения двигателя, об./мин;

для дизельных ДВС

Эффективная мощность и среднее эффективное давление связаны между собой следующей зависимостью:

.

Отношение эффективной мощности к индикаторной мощности называется механическим КПДдвигателя.

.

Заменив Ne иPe, получим:

;

.

Механический КПД оценивает затраты на преодоление трения в сопряженных узлах двигателя и на привод вспомогательных механизмов. К этим затратам относятся потери на трение: поршня о стенки цилиндра, в подшипниках коленчатого и кулачкового валов, деталей распределения, а также потери на привод вентилятора, масляного и водяного насосов, генератора, магнето, прерывателя-распределителя, компрессора, нагнетателя и т. д.

Механический КПД зависит от конструктивных параметров двигателя, материала и качества обработки деталей, качества масла и смазочной системы, температурного режима, числа оборотов и нагрузки двигателя, числа и конструкции вспомогательных механизмов и ряда других факторов.

Механический КПД тем выше, чем меньше давления, передаваемые через сопряженные узлы, совершеннее система смазки и выше качество масла, лучше материалы и качество обработки деталей, меньше затрат на привод вспомогательных механизмов.

С увеличением числа оборотов и понижением нагрузки механический КПД уменьшается.

Эффективный КПДявляется показателем, характеризующим экономичность двигателя. Эффективным КПД называется отношение эффективной работы, выраженной в единицах теплоты, к расчетной теплоте сгорания топлива, затраченного на получение этой работы.

.

Если учесть, что

,

получим:

или

.

Если индикаторный КПД учитывает только тепловые потери, то эффективный КПД учитывает и тепловые и механические потери. Для повышения эффективного КПД необходимо повышать как индикаторный, так и механический КПД. Повышение индикаторного КПД может быть достигнуто совершенствованием рабочего цикла двигателя, а улучшение механического КПД – понижением механических потерь.

Эффективный КПД для одного и того же двигателя не остается постоянной величиной. Он изменяется в зависимости от режима работы, состава смеси, технического состояния двигателя и других факторов.

Эффективный КПД при полной нагрузке находится в следующих пределах:

карбюраторные двигатели ……… 0.22–0.28;

дизельные двигатели ……….…… 0.26–0.38.

Удельный эффективный расход топливаge является вторым показателем экономичности работы двигателя. Он определяется по формуле:

.

Связь между обоими показателями экономичности работы двигателей ηe иge устанавливается формулой:

или

.

Из этих выражений следует, что удельный расход топлива тем меньше, чем выше эффективный КПД и теплотворная способность топлива.

Связь между ηi, gi иge можно определить, используя выражение

.

Тогда

или

Удельный расход топлива в карбюраторных двигателях находится в пределах 280–330 г/кВт · ч, в дизельных двигателях 210–260 г/кВт · ч.

Часовой расход топлива можно определить по формуле:

.

Effect

Эффективные показатели двигателя

Эффективными показателями называют величины, характеризующие работу двигателя, снимаемые с его вала и полезно используемые.

Полезная или эффективная работа за один цикл

Le=Li-LМП,

где LМП –работа механических потерь.

Среднее эффективное давление Ре представляет собой отношение эффективной работы на валу двигателя к единице рабочего объема

или Ре= РiМП

С ростом Ре улучшаются условия использования рабочего объема цилиндра, что дает возможность создавать более легкие и компактные двигатели. Длительное время при создании автотракторных двигателей отмечалась тенденция к постоянному росту Ре. Однако в последнее время тенденции резко изменились в связи с постоянно растущими требованиями к токсичности отработавших газов. Поэтому для современных ДВС характерно сохранение или даже некоторое снижение Ре при резком улучшении экологических показателей за счет лучшей организации рабочего процесса и совершенства конструкции систем питания.

Полезная работа, полученная на валу двигателя в единицу времени называется эффективной мощностью

Ne=Ni-NМП=

Литровой мощностью называют номинальную эффективную мощность, снимаемую с единицы рабочего объема двигателя:

Чем выше литровая мощность, тем меньше рабочий объем и соответственно меньшие габариты и массу имеет двигатель при одинаковой номинальной мощности.

По литровой мощности ДВС оценивают степень его форсированности. Двигатели, имеющие высокие значения Nл, называют форсированными.

Эффективный удельный расход топлива ge и эффективный КПД ηe характеризуют экономичность работы двигателя

Эффективный КПД ηe представляет собой отношение количества теплоты, эквивалентной эффективной работе ко всей подведенной с топливом теплоте и характеризует степень использования теплоты с учетом всех потерь.

Для двигателей, работающих на жидком топливе:

на газовом

Если ηe учитывает относительную экономичность, то эффективный удельный расход топлива ge оценивает расход топлива на единицу полученной мощности в 1 час.

При известных значениях ge, Hu, ηe

Для двигателей, работающих на газовом топливе

В газовых двигателях оценку экономичности удобнее производить по удельному расходу теплоты, мДЖ/кВт ч

Механические потери удобнее выражать не в абсолютных, а в относительных единицах. Для этого вводят понятие механический КПД, который представляет собой отношение эффективных показателей к индикаторным

или

Связь между эффективным и механическим КПД

Влияние различных факторов на эффективные показатели двига­теля. Значение каждого из эффективных показателей определяется соответствующим индикаторным показателем и механическим КПД. Пути увеличения Рi и ηi рассмотрены ранее. Среднее давление механических потерь РМП можно уменьшить за счет:

-правильного выбора теплового режима работы двигателя и поддержания этого режима в процессе эксплуатации;

-оптимального конструирования двигателя и его агрегатов. Правильный выбор конструкции и размеров впускной и выпуск­ной систем делает минимальными потери на газообмен. В эксплу­атации сопротивления систем не должны изменяться. Поверхности трущихся пар сводятся к целесообразному минимуму, при котором обеспечивается надежное жидкостное трение, а силы трения имеют малые значения. К минимуму сводится также количество поршне­вых колец. Выбор жесткости и формы деталей, соблюдение тех­нических условий при их изготовлении также важны для достижения надежного жидкостного трения и минимальных механических по­терь. Существенное значение имеет оптимизация конструкции, раз­меров и частоты вращения таких вспомогательных механизмов, как вентилятор, водяной и масляный насосы;

-рационального выбора материалов и технологии изготовления деталей, что улучшает смазку трущихся пар и снижет потери на трение;

-правильного выбора смазочного масла. При этом стремятся использовать масло с минимальной вязкостью, при которой обес­печиваются надежное жидкостное трение, длительная работа всех узлов двигателя при максимально возможных сроках смены и ми­нимальном угаре масла;

-использования в дизелях однополостных камер сгорания вме­сто разделенных. Этим достигается снижение механических потерь в результате исключения потерь на перетекание заряда.

Уменьшения РНАД добиваются оптимизацией типа, размеров, ча­стоты вращения и характеристик компрессора под заданные расход газа и степень повышения давления. Под оптимизацией здесь пони­мают достижение максимально возможного значения КПД компрессора во всем диапазоне режимов работы двигателя. Уменьшение затрат на при­вод компрессора, особенно на режимах малых нагрузок, можно обеспечить, используя перепуск воздуха или снижая частоту враще­ния компрессора, соединенного с двигателем при помощи регулиру­емой механической передачи. При применении наддува, особенно газотурбинного, механический КПД возрастает вследствие того, что РМП увеличивается в меньшей степени, чем Рi. Поэтому Pе повы­шается в большей степени, чем Pi. В результате увеличения ηм эффек­тивный КПД повышается, даже когда при наддуве имеет место небольшое уменьшение Pi.

Важное значение при газотурбинном наддуве имеет КПД газо­турбокомпрессора. При его увеличении достигается снижение по­терь на газообмен.

Уменьшение ηм при снижении нагрузки объясняется тем, что РМП мало изменяется с уменьшением нагрузки, a Pi падает. Особенно резко ηм снижается в двигателях с искровым зажиганием, что связано с увеличением потерь на газообмен. При холостом ходе двигателя Pi=PМП и ηм = 0. С ростом частоты вращения ηм уменьшается в связи с увеличением РМП

Характер изменения основных индикаторных и эффективных показателей в зависимости от п приведен на рис. Так как при увеличении частоты вращения ηм снижается, то максимальные зна­чения Ре и ηе имеют место при п, меньших тех, при которых достигаются максимальные значения Pi и ηi

Рис. . Зависимость индикаторных, эффективных показателей и параметров, харак­теризующих механические потери двигателя, от частоты вращения

Связь между эффективной мощностью и параметрами рабочего процесса определяется из выражений

Из данного уравнения видно, что мощность двигателя может быть повышена за счет:

-увеличения рабочего объема цилиндра и количества цилиндров

-увеличения частоты вращения коленчатого вала.

-переход с четырехтактного на двухтактный цикл;

-увеличение плотности заряда улучшение наполняемости (наддув, улучшение организации газообмена, снижение сопротивлений на впуске и выпуске)

-повышение ηi за счет совершенствования процесса сгорания и сокращения потерь теплоты в течение сжатия и расширения.

-повышение ηм за счет снижения механических потерь

Связь между литровой мощностью и параметрами рабочего процесса определяется из выражений

Комплекс технических мероприятий, способствующих повыше­нию литровой мощности, называют форсированием двигателя.

Из выражения следует, что на значение литровой мощ­ности двигателя, оценивающей уровень форсирования двигателя, влияют Ре (Piм), п (на номинальном режиме) и τ.

Увеличение литровой мощности посредством повышения п ши­роко используется в двигателях с искровым зажиганием, для со­временных моделей которых п достигает 6500 мин -1 и выше.

Дизели грузовых автомобилей, как правило, имеют номиналь­ную частоту вращения, не превышающую 2600 мин -1.

По этой причине литровая мощность дизелей без наддува нахо­дится в пределах от 12 до 15 кВт/л и существенно уступает анало­гичному показателю двигателей с искровым зажиганием, имеющим Nл=20…50 кВт/л.

Однако в настоящее время в ряде конструкций дизелей легковых автомобилей трудности форсирования их по частоте вращения за счет внедрения электронной системы управления топливоподачей уда­ется преодолеть. Появляется все большее количество дизелей с но­минальной частотой вращения 4500…5500 мин -1 и литровой мощностью до 30 кВт/л и выше.

Для дизелей форсирование по частоте вращения менее характер­но, чем для двигателей с искровым зажиганием, для которых этот способ повышения литровой мощности является одним из основ­ных.

Как следует из анализа зависимости, при переходе с четы­рехтактного рабочего цикла на двухтактный литровая мощность должна увеличиваться в два раза.

В действительности же Nл возрастает всего лишь в 1,5…1,7 раза, что является следствием использования части хода поршня на ор­ганизацию процессов газообмена, снижения качества очистки и на­полнения цилиндров, а также в результате дополнительных затрат энергии на привод продувочного насоса.

Большая (на 50…70 %) литровая мощность — существенное до­стоинство двухтактного двигателя. Однако недоиспользование ча­сти рабочего объема цилиндра для получения индикаторной работы приводит к тому, что они имеют заметно худшие удельные показа­тели, чем аналогичные четырехтактные двигатели.

К недостаткам двухтактных ДВС следует отнести сравнительно большую тепловую напряженность элементов цилиндропоршневой группы из-за более кратковременного протекания процессов газооб­мена и, следовательно, меньшего теплоотвода от деталей, формиру­ющих камеру сгорания, а также большего теплоподвода к ним в единицу времени, что объясняется вдвое меньшим периодом следования процессов сгорания.

Большим недостатком двухтактных карбюраторных двигателей является потеря части горючей смеси в период продувки цилиндра, что значительно снижает их экономичность.

Следует отметить дополнительно, что в двухтактных двигателях отсутствуют насосные потери, но имеются потери на привод компрессора, используемого для осуществления продувки, очистки и наполнения двигателя. В двухтактных двигателях мень­ше, чем в четырехтактных, потери на трение, обусловленные силами инерции, так как отсутствуют вспомогательные такты, но меньше также и значение среднего индикаторного давления. На величину ηм в большей степени влияют меньшие значения Pi и потери на привод компрессора.

Поэтому ηм двухтактных двигателей в среднем несколько ниже, чем четырехтактных. Это наряду со снижением Pi оказывает влияние на степень увеличения литровой мощности при переходе с четы­рехтактного цикла на двухтактный. Литровая мощность двигателей с искровым зажиганием, как правило, выше, чем у дизелей, в связи с большим значением номинальной частоты вращения, а при срав­нении двигателей без наддува — и большим значением Ре.

Особое место в ряду мероприятий, направленных на повышение литровой мощности, занимает форсирование двигателей по средне­му эффективному давлению Ре.

На практике существенного увеличения Ре удается достигнуть лишь за счет ввода в рабочий цикл большего количества теплоты. Необходимая для этого подача в цилиндр большего количества топлива требует для его полного сжигания и большего количества окислителя. На практике это реализуется путем увеличения количе­ства свежего заряда, нагнетаемого в цилиндр двигателя под давле­нием.

Этот способ носит название наддува двигателя. При этом Ре воз­растает практически пропорционально увеличению плотности све­жего заряда.

На рис. изображена схема двигателя с наддувом и механичес­ким приводом компрессора от коленчатого вала. Одним из недо­статков такой системы наддува является снижение экономичности двигателя, обусловленное необходимостью затрат энергии на при­вод компрессора.

Наибольшее распространение в практике современного двигателестроения получил газотурбинный наддув, схема которого приведе­на на рис. 1.10.

Здесь для привода центробежного компрессора 1 используется энергия ОГ, срабатываемая в газовой турбине 2, конструктивно объединенной с компрессором в единый агрегат, который называют турбокомпрессором (ТК).

Поскольку при газотурбинном наддуве отсутствует механичес­кая связь агрегата наддува с коленчатым валом двигателя, примене­ние ТК заметно ухудшает приемистость двигателя. Это связано с инерционностью системы роторов ТК, а также с уменьшением энергии отработавших газов при малых нагрузках, в связи с чем, особенно в начале разгона, не обеспечивается подача в цилиндр нужного количества свежего заряда. Для преодоления этих недо­статков нередко возникает необходимость использования комбини­рованного наддува. Система комбинированного наддува выполняет­ся в различных конструктивных вариантах и обычно представляет собой определенные комбинации одновременного использования и приводного и турбокомпрессоров.

При динамическом наддуве для повышения плотности свежего заряда, подаваемого в цилиндры двигателя, используются коле­бательные явления в системах газообмена (пульсации РТ в системе впуска и выпуска), являющиеся результатом цикличности следова­ния этих процессов в цилиндре.

Если, например, задать впускному тракту такие конструктивные параметры (в основном длину и площадь проходного сечения), чтобы перед закрытием впускного клапана около него была волна сжатия, то масса поступающего в цилиндр заряда увеличивается.

Рис. Схемы наддува двигателя с приводным компрессором и турбонаддува

Аналогичный эффект можно получить, «настроив» выпускной трубопровод так, чтобы в конце выпуска вблизи выпускного клапа­на была волна разрежения. В результате этого улучшится очистка цилиндров и в него поступит большее количество свежего заряда.

При правильном выборе геометрических параметров систем га­зообмена в отдельных случаях с помощью динамического наддува становится возможным увеличить эффективную мощность двига­теля на 5… 10%.

При использовании наддува увеличивается механическая и теп­ловая напряженность элементов, формирующих камеру сгорания, что является одним из основных факторов, ограничивающих воз­можное увеличение плотности свежего заряда, поступающего в ци­линдр. Поэтому при конструировании двигателей с наддувом и вы­боре давления на выходе из компрессора Рк необходимо учитывать возможные последствия роста механических и тепловых нагрузок на его элементы.

Применение наддува в двигателях с искровым зажиганием тре­бует принятия специальных мер по предотвращению нарушения процесса сгорания, называемого детонацией. Это обстоятельство, а также более высокая тепловая напряженность лопаток турбины из-за большей температуры ОГ существенно услож­няют практические возможности использования наддува в двига­телях данного типа.

9

6 Эффективные показатели работы двигателя » СтудИзба

Лекция №6

Эффективные показатели работы двигателя.

К эффективным показателям относятся: мощность , среднее значение , эффективный К.П.Д. , эффективные расходы топлива – часовой , кг/ч и удельный , ч/л.с.ч.

Эффективная работа будет всегда меньше индикаторной на величину механических потерь, т.е. на величину насосных потерь и на величину работы, затрачиваемой на преодоление трения в соответствующих узлах и на привод обслуживающих двигатель вспомогательных механизмов.

;

где  — среднее давление механических потерь. Механические потери оцениваются величиной мощности механических потерь  и значением механического К.П.Д. :

Механические потери являются частью индикаторной мощности, расходуемой в самом двигателе. В связи с этим необходимо величину этих потерь снижать до минимума.

Мощность механических потерь является суммой следующих составляющих:

где  — потери на преодоление трения,

 — насосные потери,

 — потери на привод в действие различных механизмов,

 — потери на привод компрессора,

 — вентиляционные потери.

Величина  будет возрастать при уменьшении .

На режимах полных нагрузок значение  будет максимальным, но на частичных нагрузках  уменьшается и , т.к. величина  при изменении нагрузки практически изменяется мало.

Для автотракторных двигателей по книге Дьяченко

, кг/см2

Четырехтактные карбюраторные

0,7÷0,85

5÷10

(0,49÷0,98066)

Газовые

0,75÷0,85

4,5÷7,5

(0,44÷0,735)

дизели

0,7÷0,8

4,5÷8,0

(0,44÷0,784)

С наддувом

0,8÷0,9

7,0 и выше

(0,686)

Двухтактные дизели

0,7÷0,85

4,0÷7,5

(0,39÷0,735)

Для дизелей КДМ-35 (n = 1400 об/мин) из всей мощности трения на трение в кривошипно-шатунном механизме приходится 74,12%, на привод вентилятора – 13,15%.

Для оценки экономичности работы двигателя в целом используется эффективный К.П.Д. и эффективный расход топлива.

Эффективный К.П.Д.  представляет собой отношение теплоты, эквивалентной эффективной работе, к теплоте, затраченной на получение этой работы.

Таким образом,  учитывает как тепловые, так и механические потери в двигателе.

;

;

,

где 3600 – термический эквивалент работы, кДж.

 — удельный эффективный расход топлива в кг/(л.с.ч.) или м3/(л.с.ч.)

По данным книги Дьяченко для существующих двигателей и  могут иметь следующие величины:

, ч/л.с.ч.

,%

Для судовых:

Тихоходных

150÷168

(204÷228)

42÷38

Средней быстроходности

160÷175

(217÷238)

39÷36

Быстроходных

170÷185

(231÷251)

37÷34

Малой мощности

180÷210

(244÷285)

35÷30

Для автотракторных

Карбюраторных

200÷280

(272÷380,8)

30÷23

дизелей

150÷210

(204÷285)

42÷30

Расходы топлива г/л.с.ч. получены в тихоходных двухтактных судовых дизелях, работающих с пониженным наддувом, когда ÷8,5 кг/см2 и n = 100÷120 об/мин. В четырехтактных дизелях средней быстроходности расходы топлива могут понижаться до = 140÷145г/л.с.ч., но при высоком наддуве, когда =15÷20 кг/см2 (1,47÷1,96 МПа).

Повышение удельной мощности двигателей.

Мощность двигателя можно повысить, увеличивая размеры и рабочий объем двигателей; однако при этом возрастает их масса и габаритные размеры. Необходимо повышать мощность двигателя без увеличения его габаритных размеров и массы.

Увеличение размеров цилиндра и их числа обычно имеет ограничения. В настоящее время по производственным соображениям максимальные размеры диаметра цилиндра не превышает 1000мм (в настоящее время достигнут предел в 1060мм). Обычно применяемые диаметры цилиндров для тронковых двигателей 80÷600мм, а для крейцкопфных 500÷1060мм. При этом для цилиндров малых размеров характерно переохлаждение камеры сгорания вследствие неблагоприятных соотношений между поверхностью и объемом камеры сгорания, а для цилиндров больших диаметров – высокая тепловая напряженность камеры сгорания и особенно поршня. Поэтому уже при диаметре цилиндра 200÷300мм необходимы конструктивные мероприятия по специальному охлаждению поршней.

Применение диаметров цилиндров для дизелей менее 65мм влечет за собой непреодолимые трудности по организации хорошего процесса смесеобразования.

При сохранении быстроходности двигателя динамические силы в случае увеличения размеров поршня могут превысить допустимые пределы, поэтому необходимо снижать число оборотов коленвала. При = 900÷1000мм  n не превышает 120об/мин. Увеличение числа цилиндров при сохранении их размеров и числа оборотов коленвала тоже имеет предел. В случае объединения в одном агрегате большого числа цилиндров (иногда оно достигает 50 и более). Конструкция двигателя становится очень сложной и его эксплуатация чрезмерно. При большом числе цилиндров трудно заметить ухудшение работы одного или даже нескольких цилиндров.

Увеличение числа оборотов двигателя ограничивается для каждого размера поршня возникающими силами инерции. Для двигателей гоночных автомобилей с = 50÷60мм удается достичь n = 10000÷12000 об/мин. Для серийных автомобильных двигателей в настоящее время = 4500÷5500 об/мин. Поэтому повышение мощности двигателя стремятся достигнуть улучшением использования рабочего объема двигателя и увеличением его литровой или поршневой мощности.

Увеличение литровой мощности при неизменном числе оборотов можно достичь следующими способами:

а) повышение Е;

б) улучшение коэффициента наполнения ;

в) увеличением массового заряда цилиндра;

г) использованием энергии выпускных газов

д) применением комбинированных схем двигателя.

Повышение степени сжатия.

При этом можно повысить среднее индикаторное давление. Однако при увеличении Е>18 прирост среднего индикаторного давления уменьшается, т.к. значительно быстрее возрастают механические потери в двигателе вследствие повышения . Следовательно, нецелесообразно увеличивать Е выше 18÷20.

В дизелях описанный выше способ повышения мощности уже использован; этим способом можно повысить литровую мощность лишь в двигателях с меньшими Е, т.е. в карбюраторных. Но в них Е ограничивается качеством применяемого бензина. При несоответствии качества бензина  двигателя в нем возникает детональное горение. Применение высокооктановых топлив позволяет повысить  у двигателей с принудительным зажиганием до 10÷11. При дальнейшем повышении  значительно возрастает , что приводит к необходимости повышения прочности деталей двигателя и, соответственно, к его утяжелению.

Улучшение наполнения цилиндра.

Улучшение наполнения цилиндра дает возможность сжечь без образования дыма большее количество топлива, т.е. получить большую мощность в цилиндре данного объема и увеличить максимальное число оборотов коленвала без существенного снижения индикаторного давления.

Коэффициент наполнения  можно увеличить, уменьшая общее сопротивление впускного трубопровода, воздушного фильтра и карбюратора. В многоцилиндровом двигателе обычно наблюдается большая неравномерность наполнения цилиндров, что приводит к понижению мощности отдельных цилиндров и уменьшению общей мощности двигателя. Поэтому необходимо стремиться к одинаковому наполнения цилиндров двигателя.

В дизелях при одинаковой (максимальной) подаче топлива во все цилиндры неравномерность подачи воздуха приводит к дымному сгоранию в некоторых цилиндрах, вследствие чего приходится уменьшать максимальную подачу во всех цилиндрах, т.е. понижать общую мощность двигателя.

Для двигателей с принудительным зажиганием неравномерность подачи смеси по цилиндрам приводит к уменьшению ее количества в отдельных цилиндрах и к понижению мощности этих цилиндров. Следовательно, устранение неравномерности наполнения цилиндров дает возможность увеличить общую мощность многоцилиндрового двигателя.

Увеличение массового заряда цилиндра позволяет увеличивать количество сжигаемого топлива, в результате чего повышается мощность. Основным способом увеличения массового заряда двигателя служит наддув двигателей, т.е. подача свежего заряда в цилиндр двигателя под давлением.

В двигателях с принудительным зажиганием появление детонационного сгорания определяется значениями температуры и давления конца сжатия горючей смеси; поэтому применение наддува в них обычно нецелесообразно, т.к. вызывает необходимость уменьшения степени сжатия. Наддув двигателей такого типа рационально использовать только для кратковременного формирования их и компенсации потери мощности при работе в разряженной атмосфере (авиационные поршневые двигатели).

В дизелях с наддувом увеличивается количество кислорода в цилиндре, что позволяет сжигать большее количество топлива и получать большую мощность при том же рабочем объеме. Наддув может быть применен как для четырехтактных, так и для двухтактных двигателей.

Увеличение мощности двигателя при установке компрессора с механическими приводами равно разности мощности, полученной двигателем за счет наддува, и мощности, затраченной на привод компрессора. В случае уменьшения нагрузки, т.е. при работе двигателя с неполной мощностью и постоянным числом оборотов, а следовательно, с постоянным числом оборотов компрессора, выигрыша мощности не будет, и двигатель станет менее экономичным, чем при работе без наддува. Ухудшение экономичности двигателя при работе с частичной нагрузкой является основным недостатком этой системы наддува. Преимуществом ее является быстрое достижение компрессором максимального числа оборотов.

Компрессор с приводом от постороннего источника энергии имеет все преимущества компрессора с механическим приводом и позволяет регулировать подачу воздуха при изменении нагрузки по заданному закону. Кроме того, использование такого привода в значительной мере облегчает пуск двигателя. Недостатком рассматриваемого привода следует считать наличие дополнительного двигателя, что, несомненно, повышает стоимость силовой установки.

Наиболее часто в настоящее время для привода компрессора используется газовая турбина, работающая на выпускных газах двигателя. Применение газотурбинного двигателя позволяет исключить сложный и достаточно дорогостоящий механический привод, облегчает компоновку силовой установки и обеспечивает саморегулирование подачи воздуха при уменьшении нагрузки.

Использование энергии выпускных газов в турбине повышает степень расширения газов и эффективную мощность двигателя. Выпускные газы двигателя перед турбиной, в зависимости от его форсирования, имеют температуру 370 – 6000 С в двухтактных двигателях и 500 – 7000 С – в четырехтактных.

Количество выпускных газов, приходящихся на единицу массы сжигаемого топлива, зависит от коэффициента избытка воздуха и коэффициента продувки.

В двухтактных двигателях на единицу массы сжигаемого топлива требуется в 1,5-2 раза больше воздуха, чем в четырехтактных, что приводит к необходимости увеличивать размеры и производительность компрессора и мощность его привода.

В двухтактных двигателях при давлении наддува более 1,5 кг/см2 мощности турбины недостаточно для привода компрессора, поэтому часто применяют комбинированный привод. Первая ступень – компрессор (низкого давления) – приводится в движение турбиной, вторая ступень – компрессор (высокого давления) – от коленвала двигателя.

Применение наддува в двигателях.

Стремление к существенному повышению агрегатной мощности двигателей приводит к необходимости принудительного увеличения весового заряда цилиндров воздухом посредством наддува. Степень повышения мощности двигателя при наддуве можно оценить по так называемой степени наддува , представляющей собой отношение среднего эффективного давления (мощности) двигателя при наддуве к среднему эффективному давлению двигателя без наддува.

В настоящее время реальными являются значения =1,5 ÷2 и выше. Различают наддув скоростной, инерционный, механический, газотурбинный и комбинированный.

Тема 8. Индикаторные и эффективные показатели работы двигателя.

Индикаторные показатели работы двигателя

Показатели работы двигателя подразделяются на индикаторные (внутренние), характеризующие совершенство рабочего цикла в цилиндре и учитывающие только тепловые потери в самом цилиндре, и эффективные (внешние), учитывающие помимо тепловых и механические потери, которые имеются при передаче энергии расширения газов через поршень и кривошипно-шатунный механизм на коленчатый вал двигателя

К индикаторным показателям двигателя относятся среднее индикаторное давление рі индикаторная мощность Ni, индикаторный удельный расход топлива gi и индикаторный КПД ηi.

В результате осуществления цикла тепловая энергия, выделяющаяся при сгорании топлива, с известной степенью совершенства (определяемой индикаторным КПД) превращается в полезную работу, развиваемую газами в цилиндре двигателя и называемую индикаторной работой цикла Li. При этом давление в цилиндре непрестанно меняется.

Для удобства ведения расчетов и сравнения разных двигателей переменные по ходу поршня давления можно заменить постоянным (фиктивным) давлением, которое обеспечивает получение той же работы, что и цикл с переменным давлением. Это среднее постоянное давление называется средним индикаторным давлением pi. Следовательно, под средним индикаторным давлением подразумевается условное постоянное давление pi действующее на поршень на рабочем ходе и совершающее за один цикл работу, равную индикаторной работе замкнутого цикла. Графически среднее индикаторное давление представляет собой высоту прямоугольника, площадь которого раина площади индикаторной диаграммы, а основание – длине диаграммы (рис, 8.1).

Среднее индикаторное давление позволяет сравнивать любые циклы и двигатели любых типов по мощностным показателям независимо от способа осуществления рабочих процессов. Двигатели, в которых получаются большие средине индикаторные давления, будут развивать при прочих равных условиях (такт-ность, размеры и число цилиндров, частота вращения) большую мощность.

Рис. 8.1. К определению среднего индикаторного давления

Среднее теоретическое индикаторное давление рi может быть выражено как отношение индикаторной работы цикла Li к рабочему объему цилиндра Vs:

Таким образом, среднее индикаторное давление представляет собой удельную работу цикла, т. е. работу, приходящуюся на единицу рабочего объема цилиндра.

Из расчетной теоретической индикаторной диаграммы (рис. 8.1) найдем полезную индикаторную работу газов для смешанного цикла в виде алгебраической суммы индикаторных работ отдельных процессов:

где Lcy работа процесса подвода теплоты при V = const; из-за отсутствия изменения объема Lcy = 0; Lyz – работа процесса подвода теплоты при р = const; Lzb –работа процесса расширения при n2 = const; Lac – работа процесса сжатия при n1 = const.

В результате получим окончательное выражение для среднего теоретического индикаторного давления

Действительное среднее индикаторное давление для четырехтактных ДВС

где – коэффициент скругления индикаторной диаграммы, который представляет собой отношение площади действительной индикаторной диаграммы к площади теоретической индикаторной диаграммы. Для четырехтактных двигателей ξ = 0,90.,,0,96.

Скругление диаграммы у точки с на действительной индикаторной диаграмме объясняется опережением подачи топлива; у точек у и z – конечной скоростью сгорания топлива и, наконец, в конце хода расширения у точек b и а – предвареннем открытия выпускного клапана.

В двухтактных двигателях jбычно принимают, что хвостовая часть диаграммы полностью компенсирует потери на скругление. Тогда действительное среднее индикаторное давление двухтактных двигателей, отнесенное к полному ходу поршня, может быть определено как

Мощность двигателя, соответствующая индикаторной работе замкнутого цикла, называется индикаторной мощностью:

Индикаторная мощность многоцилиндрового двигателя:

К потерям относятся потери теплоты от неполноты сгорания топлива и в результате теплообмена рабочего тела со стенками рабочего цилиндра. Все тепловые потери в расчетном цикле реального двигателя учитываются индикаторным КПД, который является критерием совершенства использования теплоты, подведенной к рабочему телу с топливом.

Индикаторный КПД представляет собой отношение количества теплоты, преобразованной в индикаторную работу (работу, развиваемую газами в цилиндре реального двигателя), к количеству теплоты, подведенной для совершения этой работы:

;

;

;

где Gт – часовой расход топлива, кг/ч; Qн – низшая теплота сгорания, кДж/кг.

Удельный индикаторный расход топлива, кг/(кВт·ч):

или

где – часовой расход топлива, кг/ч.

Эффективные показатели работы двигателя

К эффективным показателям двигателя относятся среднее эффективное давление ре эффективная мощность Ne эффективный КПД ηe и удельный эффективный расход топлива gе.

Среднее эффективное давление ре представляет собой условное среднее постоянное давление, действующее на поршень на рабочем ходе н совершающее работу, эквивалентную полезной эффективной работе, передаваемой через выходной фланец коленчатого вала на винт или другой потребитель. Другими слонами, среднее эффективное давление ре представляет собой удельную эффективную работу двигатели.

Среднее эффективное давление, учитывающее кроме тепловых все механические потери, определяется из выражения

При оценке эффективных показателей на основании расчета рабочих процессов двигателя среднее эффективное давление определяют в зависимости от среднего индикаторного давления расчетного цикла и принятого значения механического КПД

Среднее эффективное давление ре является одним из важнейших показателей рабочего цикла, характеризующих степень эффективности использования объема рабочего цилиндра, уровень освоения наддува и, наконец, совершенство изготовления двигателя в целом.

Эффективная мощность Ne, так же как и ре, учитывает тепловые и механические потери в двигателе:

Для перехода от Ni к Ne обычно используют механический КПД значение которого известно для всех основных режимов работы двигателя (по результатам стендовых испытаний):

Приведенные выше формулы для индикаторной мощности можно использовать для определения Ne:

Эффективный КПД:

Удельный эффективный расход топлива:

.

Эффективные показатели двигателя. Механические потери в двигателе

Индикаторные показатели рабочего цикла двигателя.

 

Совершенство тепловых процессов, происходящих в цилиндре реального автомобильного двигателя, оценивают по индикаторным показателям его действительного цикла.

Работа, совершаемая газами в цилиндрах двигателя, называется индикаторной работой. Индикаторная работа газов в одном цилиндре за один цикл называется работой цикла. Она может быть определена с помощью индикаторной диаграммы, построенной по результатам теплового расчета двигателя.

Среднее индикаторное давление (pi) – это условно постоянное давление на поршень в течение одного хода поршня, совершающее работу, равную индикаторной работе газов за весь цикл.

Величина pi при номинальном режиме работа двигателя достигает в карбюраторных двигателях 1,2 МПа, в дизелях – 1,0 МПа.

Тогда индикаторная работа газов в одном цилиндре за один цикл:

Li = pi Vh

Полезную работу, совершаемую газами в цилиндрах двигателя в единицу времени, называют индикаторной мощностью и обозначают Рi;.

Время цикла:

де n – частота вращения коленчатого вала, мин-1; τ – тактность двигателя (число ходов поршня за цикл).

Тогда индикаторная мощность многоцилиндрового двигателя:

 

Рi = (pi Vh n iЦ )/(30 τ)

 

где iЦ число цилиндров в двигателе; pi , МПа; Vh , л; Рi , кВт.

 

Индикаторный удельный расход топлива представляет собой отношение часового расхода топлива GT к индикаторной мощности Рi :

что характеризует экономичность действительного цикла. Величи­на gi при номинальном режиме работы двигателя колеблется для карбюраторных двигателей в пределах 250…340 г/кВт ч, для дизелей – 175…230 г/кВт ч.

Индикаторный КПД оценивает степень использования теплоты в действительном рабочем цикле и представляет собой отношение теплоты, превращаемой в индикаторную работу Li, к теплоте, введенной в цилиндр в результате сгорания топлива:

 

У существующих автотракторных двигателей индикаторный КПД находится в пределах для карбюраторных двигателей 0,25…0,40, для дизелей – 0,38…0,50.



 

Относительный КПД представляет собой отношение индикаторного КПД к термическому КПД и определяет степень совершенства действительного цикла по отношению к теоретическому:

 

Существующие двигатели имеют относительный КПД 0,6…0,9.

 

 

«Автомобильные двигатели»

Эффективные показатели двигателя. Механические потери в двигателе.

Эффективным показатели позволяют оценить совершенство двигателя в целом, с учетом потерь мощности на трение и привод вспомогательных механизмов.

Развиваемая в цилиндрах индикаторная мощность Рi, не может быть использована полностью для движения автомобиля. Часть этой мощности, называемая мощностью механических потерь РМ, затрачивается в самом двигателе на преодоление трения и привод вспомогательных механизмов (механизм газораспределения, топливный, масляный и водяной насосы, вентилятор, генератор и т.д.). Мощность, равная разности мощностей Рi; и РМ, называется эффективной мощностью двигателя Ре :

Ре = Рi – РМ

Для удобства оценки механических потерь двигателя введено понятие о механическом КПД ηМ, представляющем собой отношение эффективной и индикаторной мощности:

ηМ = Ре / Рi = 1 – РМ / Рi

Механческий КПД при номинальном режиме работы кар­бюраторного двигателя равен 0,70…0,87, дизеля – 0,75…0,90.

Мощность РМ определяют экспериментально.

Эффективные и индикаторные показатели взаимосвязаны следующими простыми соотношениями посредством механического КПД:

эффективная мощность

Ре = Рi ηМ

среднее эффективное давление

pе = pi ηМ

эффективный КПД (позволяет оценить экономичность работы двигателя в целом)

ηе = ηi ηМ

эффективный удельный расход топлива

ge = gi / ηМ

Эффективный крутящий момент на валу при известной мощности Ре и соответствующей ей частоте вращения n вала двигателя:

где Ре , кВт; n , мин-1.

Эффективный КПД автотракторных двигателей, работающих на режиме полной мощности, находится в пределах для карбюраторных двигателей 0,2…0,3, для дизелей – 0,3…0,4. Значения эффективного удельного расхода топлива для карбюраторных двигателей составляют 290…330, для дизелей – 210…260, г/кВт ч.

Литровой мощностью называется эффективная мощность, отнесенная к 1 л рабочего объема двигателя:

Величиной литровой мощности пользуются для сравнительной оценки различных двигателей с точки зрения совершенства рабочего процесса и конструктивного выполнения: чем больше литровая мощность, тем меньше габариты и удельная масса двигателя. Литровая мощность составляет для карбюраторных двигателей 15…37, для дизелей – 6. ..22, кВт/л.

 

«Автомобильные двигатели»

5. Наддув автомобильных двигателей: назначение, классификация, регулирование.

Одним из наиболее эффективных мероприятий, повышающих литровую мощность двигателя, является наддув, позволяющий увеличить массу свежего заряда. В карбюраторных двигателях наддув почти не применяется из-за опасности возникновения детонации.

Влияние частоты вращения коленчатого вала n на литровую мощность двигателя необходимо оценивать по комплексному множителю n ηv ηм. При повышении частоты вращения для форсирования двигателя необходимо, чтобы этот множитель был максимальным.

Значительно более широкое распространение в мире получил наддув с турбонагнетателем, т.е. нагнетателем, приводимым турбиной, действующей на отработавших газах.

Классификация видов наддува ДВС.

Агрегатный наддув осуществляется с помощью нагнетателя. Он подразделяется на:

механический наддув, где используется компрессор, приводимый в действие от коленчатого вала двигателя;

турбонаддув, где компрессор (обычно центробежный) приводится турбиной, вращаемой выхлопными газами двигателя;

наддув «Comprex», заключающийся в использовании давления отработавших газов, действующих непосредственно на поток воздуха, подаваемого в двигатель;

электрический наддув, где используется нагнетатель, вращаемый электродвигателем;

комбинированный наддув объединяет несколько схем, как правило, речь идет о совмещении механического и турбонаддува.

Безагрегатный наддув. К нему относят:

резонансный наддув (иногда называемый инерционным или акустическим), реализуемый за счёт колебательных явлений в трубопроводах;

динамический наддув (скоростной или пассивный наддув) увеличивает давление во впускном коллекторе за счет воздухозаборников особой формы при движении с высокой скоростью;

рефрижерационный наддув достигается испарением в поступающем воздухе топлива или какой-либо другой горючей жидкости с низкой температурой кипения и большой теплотой парообразования, на автомобильных двигателях не применяется.

Механический наддув

Механический наддув позволяет легко поднять мощность двигателя. Основным элементом в такой системе является нагнетатель, приводимый непосредственно от коленчатого вала двигателя. Механический нагнетатель способен закачивать воздух в цилиндры при минимальных оборотах и без задержки, увеличивая давления наддува строго пропорционально оборотам двигателя, что является важным преимуществом подобной схемы. Однако механический наддув имеет и существенный недостаток – он отбирает на свою работу часть мощности двигателя.

В последнее время совершенствование концепций наддува идет по пути создания регулирующих систем для повышения крутящего момента при низких оборотах двигателя, а также снижения инерционности.

Существует несколько способов решения данной проблемы:

применение турбины с изменяемой геометрией;

использование двух параллельных турбонагнетателей;

использование двух последовательных турбонагнетателей;

комбинированный наддув.

Турбина с изменяемой геометрией обеспечивает оптимизацию потока отработавших газов за счет изменения площади входного канала. Турбины с изменяемой геометрией нашли широкое применение в турбонаддуве дизельных двигателей, к примеру турбонаддув двигателя «TDI» от «Volkswagen».

Система с двумя параллельными турбонагнетателями (система «biturbo») применяется в основном на мощных V-образных двигателях (по одному на каждый ряд цилиндров). Принцип работы системы основан на том, что две маленькие турбины обладают меньшей инерцией, чем одна большая.

При установке на двигатель двух последовательных турбин (система «twin-turbo») максимальная производительность системы достигается за счет использования разных турбонагнетателей на разных оборотах двигателя.

Комбинированный наддув объединяет механический и турбонаддув. На низких оборотах коленчатого вала двигателя сжатие воздуха обеспечивает механический компрессор. С ростом оборотов подхватывает турбонагнетатель, а механический компрессор отключается. Примером такой системы является двойной наддув двигателя «TSI» от «Volkswagen».

После отказа от карбюраторов и переходе на электронный впрыск топлива особенно эффективным стал турбонаддув на бензиновых двигателях. Здесь уже достигнута впечатляющая топливная экономичность.

В целом же, следует признать, что турбонаддув, увеличивая тепловые и механические нагрузки, заставляет вводить в конструкцию ряд упрочненных узлов, усложняющих двигатель как в производстве, так и при техническом обслуживании.

 

 

«Автомобильные двигатели»

6. Экологические показатели автомобильных двигателей. Основные способы снижения токсичности и дымности отработавших газов.

В результате протекания химических реакций углеводородов топлива с воздухом, наряду с основными составляющими продуктов полного сгорания, образуется ряд токсических компонентов: оксиды азота NOx, оксид углерода CO, сажа, углеводороды CH, альдегиды, канцерогенные вещества, соединения серы, свинца. Состав и количество токсичных веществ зависят от характера осуществления процесса подготовки топливовоздушной смеси и ее сгорания в цилиндре.

Кроме токсических составляющих отработавших газов в атмосферу в двигателях с искровым зажиганием выбрасываются картерные газы, а также пары бензина из бака и карбюратора, что увеличивает количество удаляемых в атмосферу углеводородов.

Количество оксидов азота, образующихся при сгорании горючей смеси, определяется концентрацией атомарного кислорода и азота, а также температурой, поэтому росту концентрации NOx в ОГ способствует: применение неразделенных камер сгорания в дизелях, увеличение степени сжатия двигателя, увеличение угла опережения впрыскивания (зажигания) и др. факторы повышающие температуру сгорания и коэффициент избытка воздуха.

Оксид углерода образуется главным образом при сгорании топлива с недостатком кислорода. Так как дизельные двигатели на номинальных режимах работают при α > 1, выбросы CO у них незначительны. К росту CO в частности приводит: переобогащение смеси в бензиновых двигателях из-за нарушения регулировки карбюратора, увеличение нагрузки двигателя и низкая частота вращения коленчатого вала из-за ухудшения смесеобразования и сгорания.

Сажа представляет собой частицы твердых углеродистых продуктов с содержанием чистого углерода до 99%. Сажа образуется при температурах выше 1500 К в результате процесса термического разложения топлива (пиролиза) при сильном недостатке кислорода (α < 0,3–0,7). Такие условия возникают в дизелях вследствие неоднородности состава смеси, когда к зонам пламени с высокой температурой примыкают зоны с малой концентрацией кислорода . На такте расширения часть образовавшейся сажи выгорает в турбулентном пламени.

Поскольку в цилиндре карбюраторного двигателя сгорает гомогенная смесь при α > 0,7, сажа образуется в ничтожных количествах.

Дымность дизелей увеличивается при применении неразделенных камер сгорания, увеличении нагрузки, уменьшении угла опережения впрыска, а также резко возрастает при разгоне двигателя.

Углеводороды являются продуктами неполного сгорания или разложения молекул топлива, поэтому факторы, влияющие на содержания CO в основном влияют и на CH. В двигателях с воспламенением от искры концентрация CH растет так же при наличии пропусков воспламенения. В дизелях молекулы CH образуются при пиролизе.

Уменьшению токсичности и дымности ОГ поршневых двигателей внутреннего сгорания способствуют различные технические мероприятия, проводимые как на этапе конструирования так и эксплуатации двигателей:

– совершенствование процессов смесеобразования и сгорания на основе применения систем впрыска бензина и дизельного топлива с микропроцессорным управлением;

– установка в системе выпуска трехкомпонентных нейтрализаторов, которые нейтрализуют NOx, CO, CH в бензиновом двигателе;

– введение рециркуляции отработавших газов посредством перепуска ОГ из системы выпуска во впускную систему, что снижает выбросы NOx в бензиновых и дизельных двигателях; в современных дизелях с аккумуляторной системой впрыскивания этот прием совместно с охлаждением рециркулирующих газов снижает NOx и дымность ОГ при неизменном расходе топлива;

– введение системы улавливания паров бензина;

– управление углом опережения зажигания и углом опережения впрыскивания дизельного топлива;

– применение плазменных дожигателей в системе выпуска дизельных двигателей;

– улучшение состава топлива и добавление к нему специальных присадок;

– поддержание технического состояния двигателя и его регулировок по рекомендации завода-изготовителя.

Наряду с загрязнением атмосферы следствием автомобилизации стал транспортный шум, основным источником которого является двигатель.

Шум двигателя складывается из шума процессов впуска, сгорания и выпуска, шума от колебания наружных стенок двигателя и колебаний двигателя на подвеске, шума агрегатов (вентилятор, насосы и др.).

На шум двигателя существенно влияет организация рабочего процесса и такие показатели, как максимальное давление цикла и скорость нарастания давления. Шум впуска и выпуска снижают установкой глушителей. Применение конструкционных материалов с наличием внутреннего трения снижает шум при деформациях стенок. В современных силовых установках применяют также звукоизолирующие экраны и капсулы.

 

«Автомобильные двигатели»

7. Характеристики автомобильных двигателей. Внешние ичастичные скоростные характеристики карбюраторного и дизельного двигателей. Коэффициент запаса крутящего момента.

Для оценки мощностных и экономических показателей двигателя при его работе в различных условиях пользуются характеристиками двигателя.

Характеристикой двигателя называется зависимость основных показателей его работы (мощности, крутящего момента, расхода топлива) от одного из параметров режима работы (частоты вращения коленчатого вала, нагрузки и др.).

Основные характеристики автомобильных двигателей определяются ГОСТ 14846-81 «Двигатели автомобильные. Методы стендовых испытаний».

Скоростная характеристика двигателя представляет собой графическую зависимость основных эффективных показателей его работы Ре , Ме, GТ и ge от частоты вращения коленчатого вала при постоянном положении дроссельной заслонки (или рейки топливного насоса) и установившемся тепловом состоянии.

Скоростная характеристика, полученная при полной подаче топлива (полностью открытая дроссельная заслонка или соответствующее положение рейки топливного насоса дизеля) и углах опережения зажигания или начала впрыскивания топлива по техническим условиям на двигатель, называется внешней характеристикой двигателя.

Характеристики, соответствующие постоянным промежуточным положениям дроссельной заслонки или рейки топливного насоса, называются частичными скоростными характеристиками двигателя.

Внешние скоростные характеристики карбюраторного двигателя и дизеля приведены соответственно на Рис. 11.1.

Скоростную характеристику реального двигателя строят по результатам стендовых испытаний. Вал работающего двигателя нагружают с помощью тормоза, обеспечивая фиксирование частоты вращения от минимально устойчивой до максимально допустимой. При этом на каждой частоте замеряют тормозной момент МТ в Нм и часовой расход топлива в кг/ч. По результатам испытаний строят кривые зависимости эффективного крутящего момента (Ме = МТ) и часового расхода топлива GT от частоты вращения вала двигателя n. Для построения графиков эффективной мощности Peи удельного расхода топлива ge используют формулы:

Pe = n Me / 9550, кВт;

ge = GT / Pe, кг/кВт ч

где n, мин-1; Me, Нм.

 

Рис.11.1

Характер кривой Me обусловлен изменением среднего эффективного давления pe. При полной подаче топлива наибольшее давление pe, а значит, и наибольшее значение Me получают при средних частотах вращения коленчатого вала. С понижением и повышением частоты величина pe уменьшается вследствие ухудшения газообмена, а также больших потерь: тепловых при низких частотах вращения и механических при высоких.

Характер кривой Pe скоростной характеристики обусловливается тем, что эффективная мощность прямо пропорциональна не только давлению pe, но и частоте вращения n. Мощность Pe возрастает до тех пор, пока увеличение частоты вращения компенсирует падение pe.

На скоростной характеристике различают следующие частоты вращения коленчатого вала:

nmin – минимальная частота вращения, при которой возможна устойчивая работа двигателя при полной подаче топлива;

nM – частота вращения, соответствующая максимальному крутящему моменту;

nP – частота вращения, соответствующая максимальной мощности двигателя;

nmax – максимально возможная частота вращения коленчатого вала, устанавливаемая ограничителем (карбюраторный двигатель) или регулятором частоты вращения (дизель).

На скоростной характеристике дизеля (см. Рис. 11.1) в интервале частот вращения nP – nmax показаны регуляторные ветви характеристики.

Приспособляемость двигателя к изменению нагрузки оценивается с помощью коэффициента приспособляемости:

k = Memax / MeP,

или коэффициента запаса крутящего момента:

μ = (Memax – MeP ) 100% / MeP

В карбюраторных двигателях k = 1,25…1,35, в дизелях – 1,05…1.2. Коэффициент приспособляемости характеризует способность двигателя преодолевать кратковременные перегрузки без переключения передач.

«Автомобильные двигатели»

Технико-экономические показатели работы двигателей | Двигатель автомобиля

Как известно, мощность — это работа, совершенная в единицу времени. Кроме эффективной мощности для оценки технико-экономической эффективности двигателей используют индикаторную мощность Ni.

Индикаторная мощность — это мощность, развиваемая газами в цилиндрах двигателя.

Эффективная мощность меньше индикаторной вследствие того, что часть последней затрачивается на преодоление механических потерь в двигателе:

Ne = Ni—Nm

Мощность механических потерь Nm учитывает затраты части индикаторной мощности на преодоление сопротивлений трения движущихся деталей и приведение в действие вспомогательных устройств двигателя — масляного и водяного насосов, вентилятора, генератора, топливного насоса и др.

Механический коэффициент полезного действия двигателя (КПД) — отношение эффективной мощности к индикаторной:

nm = Ne/Ni

При работе на номинальном режиме, т. е. при полном использовании мощности Ne, КПД автотракторных двигателей составляет 0,75…0,88. У дизелей КПД меньше, чем у карбюраторных двигателей, так как из-за более высокой степени сжатия выше затраты мощности на трение движущихся деталей.
Фотография двигателя
Массу топлива, расходуемую двигателем при определенной загрузке в течение 1 ч, называют часовым расходом топлива GT (кг/ч). Топливную экономичность различных двигателей оценивают по удельному расходу топлива ge (г/(кВт-ч)), под которым подразумевают массу топлива в граммах, расходуемую за 1 ч на создание единицы эффективной мощности:

ge = 1000GT / е

Номинальное значение ge современных автотракторных четырехтактных карбюраторных двигателей находится в пределах 280…300 г/(кВт-ч), а у дизелей — в пределах 220…260 г/(кВт-ч), т. е. дизели более экономичные, чем карбюраторные двигатели, за счет более высокой степени сжатия. Чем выше степень сжатия, тем экономичнее двигатель.

Применение на ряде современных бензиновых двигателей вместо карбюратора системы с впрыском топлива во всасывающий коллектор или непосредственно в цилиндр обеспечивает снижение ge по сравнению с карбюраторными двигателями. Наименее экономичными являются двухтактные двигатели, так как у них цилиндры продуваются горючей смесью, из-за чего часть ее уходит с отработавшими газами. Кроме того, их цилиндры хуже очищаются от продуктов сгорания.

Эффективность работы различных двигателей сравнивают не только по топливной экономичности, но и по литровой мощности и удельной массе.

Литровая мощность Nл — это отношение эффективной мощности Ne к рабочему объему двигателя, показывающее, насколько эффективно используется рабочий объем. Чем больше литровая мощность при других равных условиях, тем меньше габаритные размеры и масса двигателя. У тракторных дизелей Nл = 11…20 кВт/л.

Современная тенденция развития автотракторных двигателей характеризуется увеличением их полной эффективной и литровой мощностей, снижением удельного расхода топлива и масел, уменьшением металлоемкости и токсичности выбросов отработавших газов, повышением надежности и долговечности. Этим объясняется широкое применение дизелей с турбонаддувом, имеющим промежуточное охлаждение воздуха, поступающего в цилиндры, для повышения наполнения их воздухом. Многие зарубежные бензиновые двигатели вместо карбюраторов оснащают системой впрыска топлива, работающей в автоматическом режиме совместно с системой зажигания, что обеспечивает оптимальный режим работы обеих систем, повышение мощности и снижение расхода топлива, а также уменьшение токсичности выбросов отработавших газов. Такие «инжекторные» двигатели устанавливают и на некоторых отечественных легковых автомобилях.

Технико-экономические показатели двигателей определяют на специальных обкаточно-тормозных стендах, на которых замеряют загрузку двигателя и частоту вращения его коленчатого вала. По загрузке (показанию силоизмерительного механизма) определяют вращающий момент двигателя Мвр (Нм) как произведение силы на плечо ее приложения относительно оси вращения коленчатого вала. Частоту вращения этого вала n (мин-1) замеряют тахометром. Эффективную мощность двигателя рассчитывают по формуле:

N = Mвр*n / 9550

Технико-экономические показатели при различных режимах работы (частоте вращения и нагрузке) оценивают по характеристикам. Характеристики — это графические выражения зависимости одного или нескольких показателей работы двигателя от другого независимого показателя. Характеристики строят по результатам испытаний двигателя на тормозном стенде.

Наиболее эффективно двигатель работает на режиме максимальной мощности. Частоту вращения коленчатого вала и вращающий момент двигателя на этом режиме называют номинальными. Недогрузка двигателя существенно влияет на производительность и топливную экономичность тракторов и автомобилей. Так, удельный расход топлива интенсивно растет при уменьшении Ne от максимального значения до нуля.

Отправить ответ

avatar
  Подписаться  
Уведомление о