Определение основных размеров рабочего цилиндра

Зная тип и назначение двигателя, его мощность, частоту вращения и определив значение p_e, можно подсчитать требуемые размеры S и D. Для этого задаются несколькими значениями средней скорости поршня c_mи находят соответствующие им значения хода поршня S по заданной частоте вращения n.

N_eц=13,09 zD² Snp_e,

где z = 1 для 2-тактных двигателей,

z = 1/2 для 4-тактных двигателей.

Четырехтактные двигатели простого действия: N_eц= 6,545 D²Snp_e;

D = 0,39 - 4-тактные,

D = 0,274 -2-тактные;

S = 30c_m /n; c_m - средняя скорость поршня – главный критерий быстроходности.

J = z c_m p_e - показатель форсирования.

N_n=N_ец /F_n - удельная поршневая мощность цилиндра (F_n - площадь поршня, м²).

N_n = c_m p_e /3- для четырехтактных двигателей, кВт/дм².

G_e= G/N_е - удельная масса двигателя, кг/кВт.

G_л= G/V_л - литровая масса двигателя, кг/л.

Для литровой мощности применяются выражения:

для газовых двигателей

N_л= 0,000139α (H_и/L_o )(1/τ)(η_i /α)η_н n квт/л ,

для карбюраторных двигателей или дизелей

N_л= 0,000139(h_и /l_o)(1/τ)γ_в(η_i /α)η_н n квт/л ,

где τ – число тактов за цикл;

γ_в – удельный вес воздуха, поступающего в выпускной трубопровод.

Р_n=P_ец/F_n – удельная поршневая мощность цилиндра (F_n – площадь поршня, м²).

Р_n=c_mp_me/3 – для четырехтактных двигателей, кВт/дм².

G_e=G/P_e – удельная масса двигателя, кг/кВт.

G_л=G/V_л – литровая масса двигателя, кг/л.

Тепловой баланс двигателя

Общее количество тепловой энергии, которое вводится в двигатель с топливом и определяется по низшей теплотворной способности последнего, не используется в двигателе полностью. В лучшем случае только 20…43% от всей располагаемой теплоты превращается в полезную эффективную работу, остальная же часть не используется, уходя в окружающую среду с отработавшими газами и пр.

Внешний тепловой баланс оценивает характер и величину потерь теплоты в двигателе на эксплуатационных режимах работы и дает возможность принять необходимые меры для снижения отдельных составляющих потерь теплоты; оценить теплонапряженность наиболее нагретых узлов и деталей; установить целесообразность использования теряемой теплоты в целях повышения КПД двигателя.

Тепловой баланс выражают в абсолютных единицах Q, кДж/ч, удельный q, кДж/ч, либо относительных (в процентах к количеству подводимой теплоты). На практике чаще всего пользуются удельным и относительным балансами теплоты. Запишем уравнение теплового баланса

q_т=q_e+q_охл+q_г+q_ост,

где q_т - располагаемая теплота сгоревшего топлива;

q_e – теплота, эквивалентная эффективной работе двигателя;

q_охл – теплота, отводимая в охлаждающую среду;

q_г – теплота, отводимая с выпускными газами;

q_ост – остаточный член баланса (невязка баланса), равный сумме неучтенных потерь.

Располагаемую теплоту определяют по эффективному удельному расходу топлива g_e ,кг/кВт.ч и низшей теплоте сгорания топлива Q_н , кДж/кг.

Q_т=g_eQ_н .

Теплота, эквивалентная эффективной работе, равна Q_e=3600N_e кДж/кг.

Отношение Q_e/Q_т равно эффективному КПД двигателя η_е .

Теплота, отводимая в охлаждающую среду, равна

Q_охл=Q_в+Q_м= ,

где Q_в – теплота, отводимая в воду;

Q_м – теплота, отводимая в масло;

G_охл – расход жидкости, кг/ч;

с – теплоемкость жидкости, кДж/(кг∙^оС).

Теплота, отводимая в охлаждающую среду, состоит из теплоты, отданной рабочим телом и теплоты, эквивалентной работе трения двигателя.

Теплота, израсходованная на потери трения, переходит в основном, в охлаждающую жидкость; теплота трения поршня и поршневых колец отводится через втулку цилиндра в воду, а теплота от трения в подшипниках уносится маслом. Теплоту трения не включают в тепловой баланс, кроме доли трения, не перешедшей в охлаждающую среду (учитывается остаточным членом баланса).

Теплота, отводимая выпускными газами, Q_г определяется, как разность энтальпий газов и поступающего в цилиндр свежего заряда.

Q_г=Mg_e

Потери теплоты из-за не полного сгорания топлива незначительны и включаются в остаточный член теплового баланса. Остаточный член теплового баланса q_ост определяется как разность

q_ост=q_т-(q_e+q_охл+q_г)

и включает потери теплоты, эквивалентные неполному сгоранию топлива q_н.сг., потерям на трение, не перешедшим в охлаждающую среду, кинетической энергии газов, q_к.э. (если она не используется), лучеиспусканию двигателя в окружающую среду q_л , сумме ошибок от неточности измерения и неучтенных потерь теплоты.

ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОПРОВЕРКИ

1. Что такое среднее индикаторное и эффективное давления и как они определяются?

2. Что такое механические потери, их источники и составляющие?

3. Как определяется эффективная мощность?

4. Что такое тепловой баланс?

5. Перечислите состав системы питания карбюраторного двигателя.

6. Как осуществляется непосредственный впрыск бензина?

7. Перечислите состав топливной системы дизеля.

8. Перечислите методы повышения мощности двигателя.

9. Для каких целей служит наддув двигателей?

10. Назовите основные конструктивные элементы турбокомпрессора.

3.2.4. Режимы работы и характеристики автомобильных двигателей. Улучшение экологических характеристик.

Изучаемые вопросы:

Особенности режимов , на которых работают автомобильные двигатели. Понятие характеристики и разновидности характеристик автомобильных двигателей. Экологические показатели и методы их улучшения

Транспортные двигатели эксплуатируются в условиях, требующих изменения в широких пределах скоростного и нагрузочного режимов работы. Для оценки эффективности функционирования двигателя при его работе на различных режимах и при различных значениях регулировочных параметров служат характеристики двигателя.

Характеристикой двигателя называется зависимость показателей двигателя от режима работы или от параметров, связанных с регулировкой его основных систем.

Режимы работы определяются нагрузкой и частотой вращения коленчатого вала.

Характеристики, представляющие собой зависимость показателей работы двигателя от частоты вращения при неизменном положении органа управления (дроссельной заслонкой – для карбюраторного двигателя, регулятором – для дизеля), называют скоростными.

Если положение органа управления соответствует максимальной подаче топлива или горючей смеси, то такая скоростная характеристика называется внешней.

Характеристику, полученную при работе двигателя с любым постоянным промежуточным положением органа регулирования, называют частичной скоростной характеристикой.

Внешняя скоростная характеристика двигателя позволяет определить его предельные мощностные показатели и оценить экономичность при полных нагрузках. Эта характеристика является паспортной для большинства транспортных двигателей.

Нагрузочной характеристикой называется зависимость показателей двигателя от мощности или среднего эффективного давления при фиксированной частоте вращения коленчатого вала. По ней определяется предельная для данной частоты вращения мощность, а также оценивается экономичность работы двигателя при различных нагрузках.

Помимо этих характеристик для поршневого двигателя на практике широко используются так называемые регулировочные характеристики, представляющие собой зависимости показателей работы двигателя от регулируемого параметра (например, коэффициента избытка воздуха, угла опережения зажигания, угла опережения впрыскивания топлива и т. д). Данные характеристики используются для определения оптимальных параметров работы систем топливоподачи и зажигания.

В реальной эксплуатации многие транспортные установки работают значительное время в условиях неустановившихся режимов, когда показатели и тепловое состояние двигателя изменяются во времени. Это имеет место при разгоне и торможении транспортного средства двигателем, при изменении нагрузки и частоты вращения и т.д. Доля неустановившихся режимов может быть меньшей или большей в зависимости от технологического цикла и условий эксплуатации.

В силу особенностей рабочих процессов двигателя и отдельных его систем на неустановившихся режимах показатели двигателя могут отличаться от полученных на установившихся режимах. Поэтому в ряде случаев анализ работы двигателя только по скоростным и нагрузочным характеристикам может оказаться не адекватным условиям реальной эксплуатации.

Для конкретной категории транспортных средств, на которых используется данный двигатель, можно выделить совокупность наиболее характерных режимов его работы. Так, например, для двигателей используемых на автомобилях, осуществляющих городские перевозки, характерны относительно большие периоды работы на режимах разгона, торможения двигателем, холостого хода и на частичных нагрузках. В то же время двигатели автомобилей, предназначенных для междугородных перевозок, большой период эксплуатации работают на установившихся режимах, близких к режиму номинальной мощности.

К экологическим показателям двигателей следует отнести такие, которые характеризуют прямое и косвенное воздействие на окружающую среду.

В отработавших газах (ОГ) присутствует очень большое количество химических веществ, из которых главное внимание уделяется так называемым токсичным составляющим CO, CH, NO_x и саже. Токсичными называются вещества, оказывающие вредное влияние на организм человека и окружающую среду.

Очень часто вся проблема экологического совершенства двигателей сводится к поиску способов снижения содержания этих токсичных веществ в ОГ. Безусловно, они вредны и их выбросы нужно снизить, но этим задача экологического совершенствования ДВС не исчерпывается. В ОГ содержатся также канцерогенные вещества, соединения серы и свинца и множество других составляющих, которые по степени токсичности опаснее, чем CO, CH и NO_x .

Помимо ОГ источниками токсичности двигателей являются также картерные газы и испарение топлива в атмосферу. Наибольшее выделение токсичных веществ в атмосферу происходит с ОГ, поэтому уменьшению токсичности ОГ уделяется главное внимание.

Концентрацию токсичных компонентов в ОГ оценивают в объемных процентах, миллионных долях по объему и реже в миллиграммах на 1 л ОГ.

Диапазоны изменения количества токсичных компонентов в ОГ приведены в табл. 9.

Таблица 9

Количество токсичных элементов в ОГ

Наименование токсичного компонента ОГ	Дизель	Двигатель с искровым зажиганием
Оксид углерода CO, %	0,1…0,3	0,1…6,0
Оксиды азота, млн-1	50…2000	0…4000
Углеводороды, млн-1	10…200	50…1000
Сажа, мг/л	До 0,4	До 0,05

Комплекс европейских стандартов и правил включает в себя два вида испытаний: проверка автомобилей в эксплуатации и испытание автомобилей или двигателей на стендах. Испытания в эксплуатационных условиях проводятся по упрощенным методикам с использованием портативной аппаратуры. Автомобили с бензиновыми и газовыми двигателями испытывают на выброс CO и CH при минимальной и повышенной частотах вращения коленчатого вала на холостом ходу.

Автомобили с дизелями испытывают на дымность ОГ при свободном ускорении и максимальной частоте вращения вала на холостом ходу.

Более полную оценку токсичности и дымности ОГ автомобилей и двигателей проводят на заводах, при этом выполняются заданные совокупности режимов, называемые циклами.

В случае двигателей с искровым зажиганием для снижения токсичности ОГ рекомендуется использовать следующие мероприятия.

Повышение качества изготовления двигателей путем совершенствования технологических процессов и в первую очередь ужесточения технологических допусков на изготовление деталей, формирующих камеру сгорания, систему топливоподачи, впускные трубопроводы и систему зажигания. Это обеспечивает уменьшение различий степени сжатия в отдельных цилиндрах, улучшает распределение смеси по цилиндрам, позволяет существенно приблизиться к оптимальным составам смеси и углам опережения зажигания.

Улучшение конструкции поршневых колец уменьшает угар масла и, следовательно, снижает выброс CH и канцерогенных веществ.

Совершенствование систем питания и зажигания имеет исключительно большое значение. Для карбюраторов помимо повышения точности изготовления его основных деталей существенное значение имеют совершенствование систем пуска, прогрева и холостого хода, применение экономайзера принудительного холостого хода и т.п. Наилучшие результаты по снижению токсичности ОГ дает применение системы впрыскивания бензина.

Транзисторная система зажигания увеличивает энергию электрической искры, что улучшает воспламенение и позволяет работать на более бедных смесях. Микропроцессорное управление системой зажигания позволяет изменять угол опережения зажигания по сложному закону, обеспечивающему выполнение требований к процессу сгорания с точки зрения снижения токсичности ОГ и улучшения топливной экономичности.

Применение бензинов с малым содержанием тетраэтилсвинца, переход на газообразные топлива. Снижение или полный отказ от этилированных бензинов позволяет влиять на выброс соединений свинца и обеспечить требуемую долговечность каталитических нейтрализаторов. Перевод двигателя на газообразное топливо обеспечивает снижение выброса NO_x примерно в два раза, а также дает некоторое уменьшение концентрации CO. Это связано с тем, что при работе на газе возможно эффективное использование более бедных смесей, сгорающих при меньшей температуре, а также снижение неравномерности состава смеси по цилиндрам.

Нейтрализация отработавших газов – радикальный способ уменьшения токсичности ОГ. Для автомобильных двигателей наибольшее применение получили каталитические нейтрализаторы, в которых специальные вещества (катализаторы) ускоряют протекание реакций окисления CO и CH, а также восстановления NO_x.

В случае дизельных двигателей для снижения токсичности и дымности ОГ рекомендуются следующие мероприятия.

Совершенствование процессов смесеобразования и сгорания. Преимущество этого способа заключается в том, что одновременно со снижением дымности ОГ и содержания в них CO и CH улучшаются мощностные и экономические показатели двигателя. Однако интенсификация сгорания приводит к увеличению концентрации NO_x. Для снижения токсичности ОГ дизеля необходимо сокращать длительность задержки воспламенения и за этот период впрыскивать основную долю топлива, стремясь к тому, чтобы сгорание происходило в течение второй фазы с небольшой скоростью, а в завершающих фазах – с наибольшей возможной интенсивностью.

Существенное снижение токсичности ОГ можно получить путем наддува дизеля, увеличивая при этом обеднение смеси примерно до α_min=2.

Топливо и присадки. Чем больше в топливе легких фракций, тем лучше его испаряемость, а значит, более однородным будет состав смеси в камере сгорания, что приведет к снижению дымности ОГ и концентрации в них NO_x. Добавка к дизельному топливу в количестве до 1% антидымных присадок позволяет при больших нагрузках в несколько раз понизить дымность ОГ и содержание в них альдегидов и бензпирена.

Использование спиртов в качестве добавок к дизельному топливу сопровождается значительным снижением дымности при одновременном уменьшении выбросов NO_x и CO. Однако выбросы CH при этом сильно возрастают.

Техническое состояние дизеля. Интенсивность дымления и токсичность ОГ сильно зависят от технического состояния и регулировок топливоподающей аппаратуры. Недопустимы подтекание топлива из распылителя, неправильная регулировка давления начала впрыскивания, зависание иглы распылителя и т.д. Правильная эксплуатация, т.е. поддержание дизеля в хорошем техническом состоянии, и стабильность регулировок топливной аппаратуры в сочетании с систематическим контролем дымности и токсичности ОГ позволяют снизить общий выброс токсичных веществ на 40%.

Каталитическая нейтрализация ОГ. В окислительных каталитических нейтрализаторах отработавшие газы дизеля проходят через слой катализатора, ускоряющего протекание окислительных реакций, т.е. превращение CO и CH в CO₂ и H₂O. В результате каталитической нейтрализации концентрация CO уменьшается на 85…90%, а CH – на 75…80%.

Фильтры и улавливатели сажи и твердых частиц являются эффективным средством снижения дымности ОГ дизелей. В фильтрах сажа и твердые частицы улавливаются при прохождении ОГ через фильтрующий элемент или путем их центрифугирования.

Для практической реализации задачи снижения шума двигателя следует рассмотреть, прежде всего, использование для этих целей виброизоляции и вибропоглощения, звукоизоляции и звукопоглощения. Совокупность этих методов и средств, при разумном их использовании, приводит к снижению шума двигателя. При конструировании ДВС с целью снижения шума возможно и необходимо использовать также такую организацию конструкции и рабочих процессов двигателей, которые обеспечивали бы минимальное акустическое излучение.

ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОПРОВЕРКИ

1. Что такое установившийся и неустановившийся режимы?

2. Какие виды характеристик двигателя Вы знаете?

3. Что такое скоростная характеристика двигателя и ее разновидности?

4. Что такое нагрузочная характеристика?

5. Какие бывают регулировочные характеристики?

6. Какие токсичные составляющие образуются в выхлопных газах автомобильных двигателей?

7. Каковы основные методы снижения токсичности и дымности?

8. Какими способами снижается токсичность и дымность двигателей?