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

Величина p_i 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:

L_i = p_i V_h

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

Время цикла:

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

Тогда индикаторная мощность многоцилиндрового двигателя:

Р_i = (p_i V_h n i_Ц )/(30 τ)

где i_Ц – число цилиндров в двигателе; p_i , МПа; V_h , л; Р_i , кВт.

Индикаторный удельный расход топлива представляет собой отношение часового расхода топлива G_T к индикаторной мощности Р_i :

что характеризует экономичность действительного цикла. Величи­на g_i 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 L_i, 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 Р_i, не может быть использована полностью для движения автомобиля. Часть этой мощности, называемая мощностью механических потерь Р_М, 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 Р_i; и Р_М, называется эффективной мощностью двигателя Р_е :

Р_е = Р_i – Р_М

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

η_М = Р_е / Р_i = 1 – Р_М / Р_i

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

Мощность Р_М определяют экспериментально.

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

эффективная мощность

Р_е = Р_i η_М

среднее эффективное давление

p_е = p_i η_М

эффективный КПД (позволяет оценить экономичность работы двигателя в целом)

η_е = η_i η_М

эффективный удельный расход топлива

g_e = g_i / η_М

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

где Р_е , 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 η_v η_м. 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 NO_x, 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 NO_x 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 NO_x, CO, CH в бензиновом двигателе;

– введение рециркуляции отработавших газов посредством перепуска ОГ из системы выпуска во впускную систему, что снижает выбросы NO_x в бензиновых и дизельных двигателях; в современных дизелях с аккумуляторной системой впрыскивания этот прием совместно с охлаждением рециркулирующих газов снижает NO_x 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 Р_е , М_е, G_Т и g_e 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 М_Т в Нм и часовой расход топлива в кг/ч. По результатам испытаний строят кривые зависимости эффективного крутящего момента (Ме = М_Т) и часового расхода топлива G_T от частоты вращения вала двигателя n. Для построения графиков эффективной мощности P_e и удельного расхода топлива g_e используют формулы:

P_e = n M_e / 9550, кВт;

g_e = G_T / P_e, кг/кВт ч

где n, мин^-1; M_e, Нм.

Рис.11.1

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

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

На скоростной характеристике различают следующие частоты вращения коленчатого вала:

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

n_M – частота вращения, соответствующая максимальному крутящему моменту;

n_P – частота вращения, соответствующая максимальной мощности двигателя;

n_max – 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 n_P – n_max показаны регуляторные ветви характеристики.

Приспособляемость двигателя к изменению нагрузки оценивается с помощью коэффициента приспособляемости:

k = M_{e max /} M_eP ,

или коэффициента запаса крутящего момента:

μ = (M_{e max} – M_eP ) 100% / M_eP

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»