Автомобильные двигатели

Аналіз негативних наслідків  від збільшення частоти обертання  в двигунах внутрішнього згоряння показує, що відповідне підвищення питомої потужності легше забезпечити за рахунок  наддуву. Тому в останні роки з  метою підвищення економічності, надійності і довговічності ДВЗ часто зменшують частоту обертання.

Перехід на безпосереднє вприскування в карбюраторних двигунах

Зменшення розходження  в складі суміші в циліндрах багатоциліндрового двигуна, зниження опору впускної системи  внаслідок відсутності карбюратора обумовлюють підвищення коефіцієнта наповнення, деякий приріст індикаторного ККД і питомої потужності двигунів з безпосереднім вприскуванням у порівнянні з тими ж параметрами карбюраторного двигуна. Ефект від заміни карбюраторного сумішоутворення безпосереднім вприскуванням збільшується зі збагаченням складу суміші, тобто зі зменшенням a.

В останні роки велика увага приділяється електронним  системам вприскування палива. Їхнє застосування спрощує використання автоматичних систем керування робочим процесом за допомогою мікроЕОМ, що забезпечує значне підвищення експлуатаційної економічності і зменшення токсичності двигунів із примусовим запаленням.

Використання газодінамічних явищ у впускній і у випускній  системах двигуна.

Однією з особливостей розвитку двигунів у даний час є широке використання газодінамічних явищ у впускній і у випускній системах для підвищення питомої потужності за рахунок збільшення коефіцієнта наповнення. Поліпшується очищення циліндра і зменшується робота насосних ходів.

Збільшення тиску заряду (наддув)

Прагнення підвищити  щільність заряду на впуску в циліндри поршневої частини і за рахунок  цього збільшити питому потужність призвело до створення комбінованих двигунів. Підвищення щільності заряду на впуску обумовлює збільшення масового наповнення циліндра не тільки внаслідок росту щільності заряду наприкінці наповнення, але також і за рахунок деякого підвищення коефіцієнта наповнення. Це пояснюється зменшенням відносних втрат тиску у впускних органах. У результаті росту масового наповнення циліндра, яке характеризується добутком h_Vr_k, збільшується питома потужність.

З ростом тиску r_k підвищується тиск у циліндрі двигуна, унаслідок чого збільшується робота тертя і змінюється робота, затрачувана на насосні ходи. У комбінованих двигунах робота насосних ходів може бути позитивною.

Межі форсування потужності при збільшенні тиску свіжого  заряду

Підвищення тиску заряду, що надходить у двигун, обумовлює  збільшення механічної і теплової напруженості двигуна. У двигунах із примусовим запалюванням із застосуванням наддуву потрібно паливо з більш високим октановим числом.

Збільшення механічного  навантаження на деталі двигуна з  підвищенням наддуву зв'язано  з ростом максимального тиску  газу в циліндрі. Тому для забезпечення надійної роботи деталей необхідно значно збільшити масу конструкції двигуна. Цей шлях варто визнати недоцільним для двигунів будь-якого типу.

Зі збільшенням тиску  наддуву поряд з механічною напруженістю підвищується також і теплова  напруженість кришки (голівки), клапанів, циліндра і поршня. Унаслідок росту кількості теплоти, яка приходиться на одиницю робочого об'єму циліндра і що виділяється при згорянні палива, збільшується кількість теплоти, що відводиться через стінки. Цьому сприяє також підвищення коефіцієнта тепловіддачі від газу до стінки в результаті росту тиску газу в циліндрі. Підвищення температур і температурних градієнтів приводить до збільшення напруг у деталях двигуна, погіршенню умов змащення, що також несприятливо відбивається на роботі двигуна.

Таким чином, ріст механічної і теплової напруженості ДВЗ є  основною причиною, що обмежує збільшення тиску заряду, що надходить у циліндри. Звідси випливає, що, підвищуючи тиск заряду для збільшення питомої потужності, необхідно обмежувати максимальний тиск газу в циліндрі і швидкість його наростання, температуру і температурні градієнти в стінках деталей. Цього домагаються введенням конструкторських і технологічних удосконалень, а також раціональною організацією робочого процесу комбінованого двигуна.

Способи зменшення механічної напруженості двигуна: зниження ступеня стиску, зменшення кута випередження вприскування, вибір відповідних характеристик вприскування палива і способу сумішоутворення.

 

  ТЕМА 10 ТЕПЛОВИЙ БАЛАНС ДВИГУНА І ТЕПЛОНАПРУЖЕНІСТЬ ЙОГО ДЕТАЛЕЙ

10.1 Тепловий баланс двигуна

Розподіл теплоти, що виділяється при згорянні палива, на окремі складові (корисно використовувану  теплоту і різні види теплових втрат) називається зовнішнім тепловим балансом.

Тепловий баланс двигуна  визначається експериментально. Значення окремих складових теплового балансу характеризують досконалість використання тепла, дозволяють вибрати і розрахувати систему охолодження, з'ясувати можливість використання теплоти випускних газів і намітити шляхи поліпшення показників роботи двигуна.

Тепловий баланс можна  скласти для різних режимів роботи двигуна. У більшості випадків тепловий баланс складають у відносних  величинах (у частках чи відсотках), тобто відносять його складові до кількості підводимої теплоти.

Рівняння теплового балансу ДВЗ має наступний вид:

Q=Q_e+Q_в+Q_г+Q_м+Q_ост,

де   Q - теплота згоряння витраченого палива;

Q_e - теплота, еквівалентна ефективній роботі двигуна;

Q_в - теплота, що відводиться від двигуна охолодним середовищем (рідиною чи повітрям);

Q_г - теплота, що відводиться випускними газами;

Q_м – теплота, що відводиться маслом (оливою);

Q_ост – член, що враховує втрати теплоти в результаті променистого і конвективного теплообміну нагрітих частин двигуна з навколишнім середовищем.

Виражаючи тепловий баланс у відсотках його рівняння представиться в наступному вигляді:

q_e+q_в+q_г+q_м+q_ост = 100%.

У даному випадку кожен  доданок у лівій частині рівняння являє собою кількість теплоти  у відсотках стосовно всієї уведеної теплоти Q. Уведену теплоту Q практично  визначають за нижчою теплотою згоряння палива. Теплота, що еквівалентна ефективній роботі двигуна за 1 с, дорівнює його ефективної потужності.

Відношення ефективної теплоти до загальної уведеної визначає частку корисно використаної теплоти  в двигуні і чисельно дорівнює ефективному ККД h_е.

Теплота, яка сприймається від робочого тіла внутрішніми поверхнями циліндра, виділяється в навколишнє середовище за допомогою газоподібної чи рідкої речовини - охолоджувача.

З усієї кількості  теплоти, що віддається охолоджувачу, найбільша частина (до 65%) сприймається стінками циліндра під час процесів згоряння і розширення, а інша - протягом випуску. Теплообмін під час стиску незначний. Тепловіддача від газів у стінки росте зі збільшенням тиску наддуву і зменшується при підвищенні ступеня охолодження повітря після компресора. Таким чином, теплота, що відводиться від двигуна охолоджувачем, включає:

а) теплоту, яка передана від газів стінкам циліндра під  час стиску, згоряння, розширення і  випуску;

б) теплоту, яка еквівалентна роботі тертя поршня в циліндрі;

в) теплоту, що відводиться  від газів після випуску з  циліндра у випускному каналі голівки  й у випускному патрубку.

Кількість теплоти, що відводиться  охолодним середовищем, визначають, вимірюючи кількість охолоджувача, що проходить за одиницю часу через систему охолодження двигуна, і температуру охолоджувача при вході в систему і виході з неї:

Q_в = G_в(t₂ – t₁)с,

де G_в - витрата охолоджувача через систему в кг/год;

t₂, t₁ - температури охолоджувача відповідно на виході з системи охолодження і вході в неї;

с - теплоємність охолоджувача в кДж/(кг×град).

Кількість теплоти, що відводиться  маслом, визначають, вимірюючи кількість  масла, що проходить за одиницю часу через систему охолодження масла, і температуру масла при вході  в систему і виході з неї:

Q_м = G_м(t_2м – t_1м)с_м,

де G_м - витрата масла через систему в кг/год;

t_2м, t_1м - температури масла відповідно при виході з системи охолодження масла і вході в неї;

     с_м - теплоємність масла в кДж/(кг×град).

При наявності у випускних газах  продуктів неповного згоряння додатково губиться теплота, що не виділилася внаслідок неповноти згоряння палива.

Випускні гази, що виходять із двигуна, мають порівняно високу температуру і несуть значну кількість  теплоти Qг. Цю теплоту приблизно визначають як різницю їхньої ентальпії за випускним трубопроводом і ентальпії повітря, що надходить у двигун, тому у величину теплоти, яка мається в розпорядженні, не включають ентальпію повітря. Температуру випускних газів у двигунах без наддуву вимірюють безпосередньо після випускного трубопроводу двигуна, а в комбінованих двигунах - у випускному патрубку газової турбіни.

Залишковий член теплового балансу, який визначається як різниця між  підведеною теплотою і сумою визначених складових теплового балансу,

Q_ост = Q - (Q_e+Q_в+Q_г+Q_м).

Залишковий член теплового  балансу включає:

1) теплоту, що відповідає  роботі тертя, за винятком теплоти,  яка  віддана охолоджувачу  через стінки циліндра чи віднесена  оливою і врахована членом  балансу Q_В; ця теплота відводиться в навколишнє середовище внаслідок конвекції і теплопровідності від зовнішніх поверхонь двигуна;

2) теплоту, що відповідає  кінетичній енергії випускних  газів;

3) теплоту, що втрачається  внаслідок випромінювання зовнішніми  поверхнями двигуна і його  агрегатів;

4) невраховані втрати  теплоти.

У таблиці 10.1 приведені  середні значення окремих складових  зовнішнього теплового балансу, віднесених до теплоти, яка введена  з паливом при роботі двигуна  на номінальному режимі.

Таблиця 10.1 – Зовнішній  тепловий баланс двигунів різних типів  у %

Тип двигунів	qe	qв	qэ	qн/сгор	qм	qост
Карбюраторні поршневі	22-29 29-42   35-45 40-48	20-35 20-35   10-25 10-18	30-55 25-40   25-45 20-40	0-45 0-5   0-5 0-7	3-8 2-4   3-7 4-8	3-8 2-7   2-7 2-5
Дизелі без наддуву  Комбіновані: с помірним наддувом с високим наддувом

 

 

 

Як видно з таблиці 10.1, 70-55% теплоти, яка введена в  двигун, складають теплові втрати – в основному, фізична теплота  випускних газів і теплота, що відноситься охолоджувачем. Ступінь  використання палива збільшується при  утилізації теплових утрат (для автотранспортних засобів це система опалення салону, кабіни, обігріву кузова і т.д.). У комбінованих двигунах частка теплоти, що відводиться охолоджувачем, зменшується до 10-18% і зростає кількість теплоти, яка еквівалентна ефективній роботі двигуна. У карбюраторних двигунах теплота, що відводиться з випускними газами через неповноту згоряння, може досягати 45% (див. таблицю 10.1). Таке недогоряння можливе при роботі двигуна зі зменшеним коефіцієнтом надлишку повітря.

Схема внутрішнього теплового  балансу ДВЗ приведена на малюнку 10.1, з якого видно, як формуються складові зовнішнього теплового балансу.

Малюнок 10.1 - Схема теплового  балансу двигуна

На схемі позначені:

Q_h  - нижча теплота згоряння;

Q_i - тепло, що еквівалентне індикаторній роботі;

Q_e - тепло, що еквівалентне ефективній роботі;

Q_oxл – тепло, яке віднесене охолодним агентом;

Q_газ - тепло, віднесене випускними газами за рахунок підвищення ентальпії відпрацьованих газів;

Q_{п. неп}. - тепло, що втрачається від неповноти згоряння;

q_oct - залишковий член теплового балансу;

Q₁ - тепло, що йде на підігрів свіжого заряду перед циліндром двигуна;

Q₂ - тепло, що  йде на підігрів свіжого заряду охолодним агентом;

Q₃ - тепло, що йде на підігрів свіжого заряду випускними газами;

Q₄ - тепло, що віддається газами стінкам циліндра;

Q₅ - тепло, віднесене газами через випускний клапан;

Q₆ - тепло від тертя поршнів о дзеркало циліндра;

Q₇ - тепло, що йде від випускних газів до охолодного агенту;

Q₈ - тепло, що утрачається випромінюванням охолодної системи;

Q₉ - тепло, що утрачається випромінюванням випускної системи;

Q₁₀ - тепло, що еквівалентне кінетичній енергії випускних газів;

Q₁₁ - тепло, що еквівалентне механічним втратам

На малюнку 10.2 показана зміна теплового  балансу карбюраторного ДВЗ, на малюнку  10.3 - дизеля при роботі за зовнішньою характеристикою.

Малюнок 10.2                                                  Малюнок 10.3

 

Робота двигуна на часткових режимах приводить  до зміни зовнішнього теплового  балансу і теплових потоків усередині  двигуна.