Литровая мощность и методы форсирования двигателей.

ОБЛАСТИ ПРИМЕНЕНИЯ И ЭЛЕМЕНТЫ КЛАССИФИКАЦИИ ДВИГАТЕЛЕЙ

Устройства, преобразующие какой-либо вид энергии в меха­ническую работу, называются двигателями. Машины, трансформирующие тепловую энергию в механи­ческую работу, носят название тепловых двигателей (ТД).

ТД являются основным типом энергетической установки на всех видах транспорта (железнодорожный, речной, морской, ав­томобильный и воздушный), на сельскохозяйственных и дорож­ностроительных машинах. Различают ТД стационарные и транспортные.

Для транспортных двигателей характерна работа при из­менении в широких пределах скоростного и нагрузочного ре­жимов, а также необходимость сохранения работоспособности при изменениях положения двигателя в пространстве.

По способу подвода теплоты к рабочему телу различают двигатели с внешним подводом теплоты (ДВПТ) и двигатели внутреннего сгорания (ДВС).

Для ДВС характерно следующее: сжигание топлива, выделение теплоты и преобразование ее в механическую работу происходят непосредственно в цилинд­ре двигателя;

ДВС по сравнению с ДВПТ имеют, как правило, существен­но меньшие габариты и массу на единицу производимой мощ­ности, вследствие чего они являются в настоящее время основ­ным типом транспортных энергетических установок.

По конструкции элементов, с помощью которых тепловая энергия сгорающего топлива преобразуется в механическую ра­боту, различают: поршневые ДВС с возвратно-поступательно движущимися поршнями (ПДВС); двигатели с вращающимися поршнями, или роторно-поршневые ДВС (РПД);

По способу воспламенения смеси различают ДВС с принуди­тельным зажиганием и дизели, ра­ботающие с воспламенением от сжатия. Двигатели с искровым зажиганием могут быть карбюратор­ные и газовые По другому признаку классификации эти двигатели относят к ДВС с внешним смесеобразованием. Имеются также двигатели с впрыском топлива непосредст­венно в цилиндр или во впускной трубопровод

Дизель относится к двигателям с внутренним смесеобразова­нием

По способу осуществления цикла различают двухтактные и четырехтактные ДВС. Из определения такта работы как совокупности процессов, протекающих в цилиндре двигателя при перемещении поршня между верхней и нижней мертвыми точками (ВМТ и НМТ), следует, что в четырехтактном ДВС рабочие процессы совершаются за два оборота коленчатого вала, в двухтактном -— за один. J

Процесс расширения.

Расширение, протекающее в течение рабочего хода поршня, является в безнаддувных двигателях единственным процессом, в котором совершается полезная работа, обеспечивающая на валу двигателя положительный крутящий момент.

Расширение происходит при переменных величинах поверх­ности теплоообмена, а также давления в надпоршневом простра­нстве, и сопровождается потерями незначительного количества рабочего тела через кольцевые уплотнения.

В начале процесса расширения еще продолжается сгорание топлива. Его теплота идет в основном на повышение внутренней энергии РТ, поскольку перемещение поршня невелико и соверша­емая газами положительная работа незначительна.Часть же вы­делившейся при сгорании теплоты отводится через поверхности КС в систему охлаждения. Несмотря на увеличение надпоршневого объема, по мере вращения коленчатого вала давление в цилиндре в начале хода поршня от ВМТ повышается из-за сгорания топлива с выделением больших количеств теплоты, чем суммарные ее затраты на теплообмен и совершаемую работу. В дизелях увеличение давления после прохождения поршнем ВМТ продолжается дольше, чем в двигателях с искровым зажи­ганием. Следствием выделения теплоты при сгорании, вызыва­ющим увеличение давления заряда, являются отрицательные те­кущие значения показателя политропы расширения п2 в начале такта расширения.

Дальнейшее перемещение поршня в сторону НМТ сопровож-дается уменьшением выделяющейся при сгорании топлива тепло-t ты, а также увеличением затрат теплоты на совершение работы 'и на теплообмен. Результатом этого является замедление нара­стания давления и достижение им своего максимального значе­ния, после чего начинается резкое его понижение.

Максимальное значение температуры РТ в цилиндре дости­гается позже, чем рг. На участке между максимумами давления и температуры мгновенные значения политропы расширения щ становятся положительными. Очевидно, что при достижении Гщи теплота, выделяющаяся при догорании топлива, будет чис­ленно равна (за вычетом потерь в стенки) совершаемой газами работе, т. е. в какое-то мгновение процесс расширения становится квазиизотермическим и л2=1. Начиная с этого мгновения имеет . место падение температуры.

Рабочие процессы ДВС

Характер процессов, формирующих рабочий цикл ДВС, за­висит от принципов организации газообмена, способа организа­ции смесеобразования (внешнее или внутреннее) и воспламенения (от искры или от сжатия).

Рабочий процесс двигателя принято анализировать по ин­дикаторной диаграмме, представляющей собой зависимость дав­ления в цилиндре двигателя р от переменного объема надпорш-невого пространства V.

# I такт (впуск) реализуется при повороте кривошипа от О до 180°, чему соответствует изменение объема надпоршневого пространства от Ve (объем камеры сгорания) при <р = 0° (ВМТ) до Va— Ve+ Vh (полный объем цилиндра) при <р = 180° (НМТ). Объем Vh называют рабочим объемом цилиндра.

II такт работы двигателя (сжатие) осуществляется при повороте кривошипа на угол<р— 180...360° (линия ас на диаграм­ме . На расчетные значения параметров рабочего тела в конце сжатия (точка с) в основном влияют их начальные значения (ра, Та) и степень сжатия е, которая равна отношению объемов Va и VCi т. е. £= VJVC. При значениях е, характерных для со­временных карбюраторных двигателей (е=6,5...1О), ;?с=0,9...1,5 МПаиГс=550...750К

При реализации действительного цикла давление в конце такта сжатия, т. е. при положении поршня в ВМТ, Рс>рс\ />с=(1Д5...1Д5)рс> что является следствием повышения давления в результате начавшегося процесса сгорания (точка/—момент искрового разряда в свече зажигания). Угловой интервал от момента подачи искры до прихода поршня в ВМТ называется углом опережения зажигания.

III такт (<р = 360...540°) — такт расширения. Во время этого такта работы двигателя происходят сгорание основной доли поданного в цилиндр топлива, расширение рабочего тела и осуществляется полезная работа.

Вблизи ВМТ при повороте кривошипа на угол q>z—l0...l5° давление в цилиндре достигает максимума pz— 3,5...6,5 МПа и со­ответственно возрастает температура рабочего тела до Tz=2400...2800 К. Отношение X=pzjpe называют степенью повы­шения давления. Для современных карбюраторных двигателей А=3,6...4,2.По завершении такта расширения РТ имеет расчетные значе­ния давления и температуры, соответственно ^,=0,35...0,5 МПа, Гв= 1400,.. 1700 К.Следует заметить, что в действительном цикле процесс рас­ширения заканчивается раньше, чем поршень приходит в НМТ, из-за раннего начала открытия выпускного клапана.

IV такт (р = 540...720°) — такт выпуска — осуществля­ется под некоторым избыточным давлением pB=(l,05...1,2)pOt величина которого зависит от гидравлических потерь в вы­пускной системе. Отработавшие газы покидают цилиндр с Тг=900... 1100 К.

При термодинамическом расчете действительного цикла карбюраторного двигателя принимается допущение, что основ­ная доля теплоты при сгорании топлива выделяется вблизи ВМТ, т. е. при условиях, близких к условиям подвода теплоты при постоянном объеме (F=const).

Индикаторные показатели

Индикаторными показателями называют величины, харак­теризующие работу, совершаемую газами в цилиндре двигателя. К их числу относят прежде всего индикаторную мощность, сред­нее индикаторное давление, индикаторный КПД, удельный ин­дикаторный расход топлива.

Степень приближения совокупности процессов в цилиндре двигателя (индикаторной диаграммы) к термодинамическому циклу характеризуют относительным КПД >/=-. Тогда индикаторный КПД может быть выражен так: »ft=»7,»7o, где r\t — термичес­кий КПД, оценивающий совершенство преобразования теплоты в работу в термодинамическом цикле с такой же степенью сжа­тия, что и в действительном цикле; t\Q — относительный КПД, который меньше единицы по следующим причинам:

• теплоемкость РТ зависит от температуры и состава тела, в то время как при приведенном выше рассмотрении термодина­мических циклов она принимается постоянной и равной теплоем­кости воздуха при нормальных условиях. Увеличение теплоем­кости с ростом температуры имеет следствием меньшее повыше­ние температуры и давления при подводе теплоты в результате сгорания топлива и меньшую работу расширения по сравнению с термодинамическим циклом. Это снижает работу цикла и ин­дикаторный КПД;

• в действительном цикле происходит диссоциация продук­тов сгорания, сопровождающаяся поглощением теплоты, кото­рое имеет место вблизи ВМТ. Выделение теплоты при реком­бинации молекул происходит вблизи НМТ. Это также снижает работу цикла и индикаторный КПД;

в действительном цикле имеют место потери теплоты
в среду охлаждения, в результате чего снижаются (при том же
количестве выделяющейся теплоты) работа цикла и гц;

процесс сгорания имеет определенную длительность. Ис­
пользование теплоты, выделяющейся на такте расширения, для
получения механической энергии менее эффективно, чем подводи­
мой вблизи ВМТ. Соответствующая потеря теплоты называется
потерей от несвоевременности сгорания;

неполнота сгорания топлива, в результате которой часть
теплоты не выделяется, что также уменьшает г\0 и »/>

Дифференцированная оценка влияния большей части перечи­сленных потерь теплоты может быть выполнена с применением расчетных циклов.

Экономичность действительного цикла, кроме r\h можно оце­нивать удельным индикаторным расходом топлива, под кото­рым понимают расход топлива на единицу индикаторной мощ­ности за единицу времени gi=GilNh кгДкВт ■ ч), где От — часовой расход топлива, кг/ч. Выражение gflu представляет собой тепло­ту в кДж, вводимую в цилиндры на каждый кВт мощности за 1 ч. Тогда выразит энергию, равную 1 кВт . ч, или 3600 кДж.

Литровая мощность и методы форсирования двигателей.

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

N_л=N_e/iV_h =p_en /(30г)

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

По литровой мощности оценивают степень форсированности. Двигатели, имеющие высокие значения Na, называют фор­сированными.

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

Возможные способы форсирования двигателей следуют из выражения (1.6); МЛ увеличивается с увеличением номинальной частоты вращения и, среднего эффективного давления рс или при применении двухтактного рабочего процесса.Увеличение литровой мощности посредством повышения и широко используется в карбюраторных двигателях, для со­временных моделей которых п достигает 6500 мин"1 и выше.

Дизели грузовых автомобилей, как правило, имеют номи­нальную частоту вращения, не превышающую 2600 мин.По этой причине литровая мощность дизелей без наддува находится в пределах от 12 до 15 кВт/л и существенно уступает аналогичному показателю карбюраторных двигателей, имеющих ЛГЛ*=2О...5О кВт/л.Однако в настоящее время в ряде конструкций дизелей лег­ковых автомобилей трудности форсирования их по частоте вра­щения удается преодолеть. Появляется все большее количество дизелей с номинальной частотой вращения п=4500...5500 мин"1 и литровой мощностью до 20 кВт/л.Для дизелей форсирование по частоте вращения менее харак­терно, чем для двигателей карбюраторных, для которых этот способ повышения литровой мощности является одним из основ­ных.Как следует из анализа зависимости (1.6), при переходе Одним из недоста­тков такой системы наддува является суще­ственное снижение эко­номичности двигателя, обусловленное необхо­димостью затрат энер­гии на привод компрес­сора.Наибольшее рас­пространение в практи­ке современного двига-телестроения получил газотурбинный наддув, схема которого приве­дена на рис. 1.10.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 тяговые характеристики и 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 наддува с приводным компрессором и газотур­бинного наддува.Для повышения плотности свежего заряда, подаваемого в цилиндры двигателя, в ряде случаев используются колебатель­ные явления в системах газообмена (пульсации РТ в системе впуска и выпуска), являющиеся результатом цикличности следо­вания процессов газообмена в цилиндре.Если, например, задать впускному патрубку 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.Аналогичный эффект можно получить, «настроив» выпуск­ной трубопровод так, чтобы при открытом выпускном клапане вблизи него была волна разрежения. В результате этого улучшит-ся 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 15...25%.

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 величины давления на выходе из компрес­сора р'х необходимо учитывать возможные последствия роста механических и тепловых нагрузок на его элементы.По величине создаваемого на входе в цилиндр дизеля давле­ния рх (или степени повышения давления itt=pJPo) различают наддув низкий ях<1,5, средний яж>1,5...2,0 и высокий я,>2,0. При этом эффективная мощность двигателя увеличивается соот­ветственно на 20...30, 40...50 и более 50%.Применение наддува в двигателях с искровым зажиганием требует принятия специальных мер по предотвращению наруше­ния процесса сгорания, называемого детонацией (см. п.3.3.1 и 3.4.4). 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.