Автомобильные двигатели

Середній індикаторний тиск - розрахункова робота газів, віднесена  до ходу поршня.

Для двигунів, що працюють по циклу з підведенням теплоти  при V=const, теоретичний середній індикаторний тиск визначається вираженням

Для дизельних двигунів зі змішаним підведенням теплоти 

Середній індикаторний тиск p_i дійсного циклу менше теоретичного p_i` за рахунок «скруглення» діаграми поблизу точок c, z, b. Зменшення середнього теоретичного індикаторного тиску внаслідок відхилень реальних процесів від теоретичних кількісно виражається коефіцієнтом повноти діаграми j_і і середнім тиском насосних втрат Dp_i.

Малюнок 8.2 – Індикаторна діаграма ДВЗ

 

Характерні чисельні значення коефіцієнта повноти діаграми: 

карбюраторні двигуни     - 0.94...0.97;

дизелі                                 - 0.92...0.95.

Середній тиск насосних втрат визначається як

Dp_i = p_r - p_a.

Для 4-тактних двигунів без наддуву величина Dp_i позитивна. У двигунах з наддувом від приводного відцентрового нагнітача при p_a > p_r величина Dp_i негативна. При газотурбінному наддуві Dp_i може мати будь-який знак. 

Утрати на газообмін  враховуються в роботі, що затрачена  на механічні втрати. Тому середній індикаторний тиск p_i обчислюється тільки з урахуванням коефіцієнта повноти діаграми.

p_i = j_і · p_i`.

Його чисельні значення для автотракторних двигунів складають:

карбюраторні двигуни            – 0.4...1.6 МПа;

дизелі без наддуву             - 0.75...1.2 МПа;

дизелі з наддувом              - 1.4... 2.2 МПа.

Дизелі без наддуву  працюють з великими коефіцієнтами  надлишку повітря, що приводить до додаткових втрат тепла на нагрівання повітря. Тому індикаторний тиск у них трохи  менше, ніж у карбюраторних.

Індикаторна потужність двигуна – робота, виконана робочим  тілом всередині його циліндрів  за одиницю часу.

де   τ - число тактів двигуна;

i - число циліндрів.

Індикаторний ККД. Цей  параметр кількісно визначає ступінь  використання теплоти палива для одержання корисної роботи усередині циліндрів двигуна

де L_i - теплота, що еквівалентна індикаторній роботі, МДж/кг.

Для автотракторних двигунів, що працюють на рідкому паливі

В останньому рівнянні - щільність заряду на впуску.

Для сучасних двигунів при  їхній роботі на номінальному режимі чисельні значення індикаторного ККД  складають:

карбюраторні і газові двигуни         - 0.26...0.34;

дизелі                                                  - 0.38...0.50.

Відповідно визначається питома індикаторна витрата палива

Розмірність [g_i] = г/(кВт×ч).

Питомі індикаторні  витрати палива на номінальному режимі складають 235...320г/(кВт×ч) для карбюраторних двигунів і 170...230г/(кВт×ч) для дизелів.

 

  ТЕМА 9 МЕХАНІЧНІ ВТРАТИ В ДВИГУНІ. ЕФЕКТИВНІ ПОКАЗНИКИ ДВЗ

9.1 Механічні втрати в двигуні

Індикаторні показники  достатньою мірою відбивають якісні сторони перетворення тепла в  роботу в двигуні, але не враховують втрати енергії на тертя, привід допоміжних механізмів, процеси впуску і випуску.

Втрати на подолання  різних опорів оцінюються потужністю механічних втрат. Її відносять до одиниці  об'єму циліндрів. Звичайно механічні  втрати зв'язують із середньою швидкістю поршня v_п.ср.. На основі численних досліджень отримані емпіричні залежності цього зв'язку для двигунів різних типів.

Для карбюраторних двигунів з числом циліндрів до шести застосовують залежності:

p_м = 0.049 + 0.0152v_п.ср.                   (при S/D > 1);

p_м = 0.034 + 0.0113v_п.ср.                   (при S/D < 1).

Для восьмициліндрових V-образних двигунів останні залежності при S/D<1 здобувають вид

p_м = 0.039 + 0.0132v_п.ср..

Ідентичні вираження, але  з іншими чисельними значеннями коефіцієнтів застосовуються при розрахунках дизелів:

p_м = 0.089 + 0.0118v_п.ср. - дизелі з нерозділеними камерами;

p_м = 0.103 + 0.0153v_п.ср. - передкамерні дизелі;

p_м = 0.089 + 0.0135v_п.ср. - вихрокамерні дизелі.

9.2 Ефективні показники двигуна

Ефективна потужність менше індикаторної на величину потужності, що затрачена на механічні втрати

N_e = N_i - N_м.

Відповідно середній ефективний тиск

p_e = p_i - р_м.

Ефективна потужність двигуна  визначається за аналогією з індикаторною потужністю

де p_e - у МПа, V_h - у літрах, n - у об/хв.

Механічні втрати оцінюють кількісно за допомогою механічного  ККД

Значення механічного  ККД і ефективного тиску для  різних двигунів відповідно складають:

4-тактні карбюраторні                   - 0.7...0.85   і 0.6...0.95МПа;

4-тактні дизелі без  наддуву           - 0.7...0.82   і 0.55...0.85МПа;

газові                                               - 0.75...0.85 і 0.5...0.75МПа; 

4-тактні дизелі з  наддувом            - 0.8...0.9     і 0.7...2.0МПа;

2-тактні дизелі                                - 0.7...0.85   і 0.4...0.75МПа.

Ефективний ККД і  питома ефективна витрата палива визначаються як

  т.к. 

Для сучасних автотракторних двигунів при їхній роботі на номінальному режимі чисельні значення ефективного ККД складають:

карбюраторні двигуни     - 0.25...0.33;

дизелі                                 - 0.35...0.42;

газові двигуни                  - 0.23...0.28.

Питомі ефективні витрати  палива на номінальному режимі складають 250...325 г/(кВт×ч) для карбюраторних двигунів і 215...240 г/(кВт×ч) для дизелів.

9.3 Показники напруженості і  межі форсування двигунів

Для оцінки теплової і  динамічної напруженості, використання робочого об'єму двигуна і порівняння різних двигунів застосовуються такі показники, як літрова і поршнева потужність.

Під номінальною потужністю N_e двигуна розуміють ефективну потужність, гарантуєму заводом-виготовлювачем для визначених умов роботи (атмосферні умови, пробіг автомобіля, число оборотів вала, тривалість роботи і т.п.).

Літровою потужністю N_eл, кВт/л, двигуна називають номінальну потужність, віднесену до 1л робочого об'єму поршневої частини двигуна.

Поршнєвою потужністю N_eп, кВт/м² , двигуна називають номінальну потужність, віднесену до 1м² сумарної площі поршнів двигуна.

За визначенням

.

З останнього вираження  випливає, що літрова потужність двигуна  залежить від середнього ефективного  тиску, числа тактів і числа оборотів двигуна. Залежність літрової потужності від параметрів роботи двигуна можна знайти, якщо в це вираження підставити значення p_e = р_i×h_m. Тоді, використовуючи приведені вираження:

.                           (9.1)

Отримана формула дає можливість установити вплив параметрів робочого процесу на величину літрової потужності і намітити шляхи форсування двигуна для одержання найбільшої потужності при тих же геометричних розмірах.

Поршнева потужність

,

де D і S - діаметр і хід поршня.

Після підстановки в  це вираження середньої швидкості  поршня маємо

.

Як видно з останнього вираження, поршнева потужність двигуна  залежить від середнього ефективного  тиску, швидкохідности, яка характеризується середньою швидкістю поршня, і числа тактів двигуна.

Для поршневої потужності легко одержати наступну залежність

.                       (9.2)

9.4 Способи форсування двигунів  за питомою потужністю

Одним із засобів зниження маси і зменшення габаритних розмірів двигуна є його форсування за питомою потужністю. Їх можна виявити з аналізу виражень (9.1) і (9.2). З цих залежностей випливає, що питома потужність залежить від наступних факторів:

1. нижчої теплоти згоряння пальної суміші, яка характеризується відношенням H_u/l_o;
2. числа тактів t двигуна;
3. якості протікання робочого процесу, обумовленого відношенням індикаторного ККД до коефіцієнта надлишку повітря (h_i/a);
4. механічного ККД h_m;
5. швидкохідності, яка оцінюється частотою обертання n;
6. кількості свіжого заряду, що знаходиться в циліндрі до початку стиску, який характеризується добутком коефіцієнта наповнення на щільність  повітря чи суміші, тобто h_Vr_k.

З перерахованих факторів для збільшення питомої потужності можна використовувати тактність t двигуна, відношення (h_i/a), частоту обертання вала n і добуток h_Vr_k. Звідси випливають основні шляхи збільшення питомої потужності.

Здійснення двотактного  циклу

Експериментальні дослідження  і порівняльні розрахунки показують, що літрова потужність двотактного двигуна при інших рівних параметрах більше літрової потужності чотиритактного двигуна в 1,5 - 1,7 рази.

Збільшення ступеня  стиску

З ростом ступеня стиску підвищується індикаторний ККД, а, отже, і питома потужність двигуна. При  цьому зменшується відносна кількість теплоти, що виділяється в основній фазі згоряння, і збільшується частка палива, що догоряє в процесі розширення. Унаслідок підвищення максимальної температури в циліндрі збільшується інтенсивність дисоціації і теплопередачі в стінки циліндра. Це приводить до уповільнення росту h_i, а, отже, і літрової потужності зі збільшенням e. З підвищенням тиску газів у циліндрі двигуна збільшується і тиск механічних утрат.

У дизелях величину e вибирають виходячи з умов забезпечення надійного пуску і припустимого навантаження на його деталі. Подальше підвищення e не викликає росту питомої потужності і може привести навіть до її зменшення, що поясняється зниженням механічного ККД.

Карбюраторні двигуни  мають такі ступені стиску, при  яких їхнє подальше підвищення збільшує питому потужність і поліпшує економічність. Зростання механічних втрат, затруднення пуску і необхідність підвищення октанового числа палива зі збільшенням ступеня стиску обумовлюють недоцільність підвищення ступеня стиску вище 12 у двигунах із примусовим запалюванням.

Зменшення коефіцієнта  надлишку повітря

При зниженні коефіцієнта  надлишку повітря до визначеної межі збільшується відношення h_i/a, а, отже, і питома потужність. Зниження коефіцієнта a дозволяє зменшити прохідні перетини впускних і випускних органів і трубопроводів, тобто знизити масу і габаритні розміри двигуна. Однак при роботі з більш низькими значеннями коефіцієнта a підвищуються максимальна і середня температури циклу і температура випускних газів, що приводить до росту теплонапруженості основних деталей поршневої частини. Крім того, при знижених значеннях a зростають вимоги до організації процесу сумішоутворення і згоряння.

Підвищення частоти  обертання

З вищенаведених виражень випливає, що питома потужність прямо  пропорційна частоті обертання n вала двигуна. Однак така залежність питомої потужності від частоти обертання спостерігається лише у вузькому діапазоні її зміни поблизу р_емах чи M_emax. коли величини p_e і M_e змінюються незначною мірою.

Зі збільшенням n зменшується  тривалість циклу, що позначається на протіканні робочого процесу двигуна: поліпшується розпилювання палива і перемішування його з повітрям, скорочується відносна кількість теплоти, що відводиться в систему охолодження, що сприятливо впливає на протікання процесу згоряння. У карбюраторних двигунах зі збільшенням частоти обертання вала зменшується схильність до детонації, що дає можливість трохи підвищити ступінь стиску, а, отже, і потужність.

При зміні швидкісного  режиму роботи двигуна відношення h_i/a мало змінюється. Якщо при збільшенні n коефіцієнт надлишку повітря a не змінюється, то практично можна прийняти постійним і h_i.

Коефіцієнт наповнення з ростом частоти обертання при  незмінних фазах газорозподілу  і прохідних перетинів впускних і випускних органів зменшується. Тому зі збільшенням швидкохідності двигуна необхідно відповідним чином підбирати фази газорозподілу, збільшувати прохідні перетини впускних і випускних органів.

Зі збільшенням частоти  обертання втрати на тертя і на газообмін у двигуні зростають і механічний ККД знижується. Тому всі заходи, спрямовані на підвищення механічного ККД, будуть сприяти також і збільшенню питомої потужності. До таких заходів можна віднести зменшення відносини S/D, збільшення ККД допоміжних агрегатів, оптимальне регулювання температури масла, води і т.п. Важливе значення має якість обробки тертьових поверхонь деталей, раціональний вибір їхніх матеріалів і мастил.

Підвищення частоти  обертання вала двигуна викликає збільшення середньої швидкості  поршня і навантажень від сил інерції. У результаті зростають утрати на тертя, знос тертьових деталей, напруги в колінчастому валу, шатуні, шатунних болтах і інших деталях двигуна, що може викликати необхідність застосування матеріалів більш високої якості і більш досконалих технологічних прийомів при їхній обробці.