5. Показатели напряженности конструкции, степени форсирования, массогабарттные.

 

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

    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 форсированно ста. Двигатели, имеющие высокие значения N_л называют форсированными.

      Комплекс мероприятий, способствующих повы­шению литровой мощности, называют форсированием двигателя. Возможные способы форсирования двигателей  увеличивается с увеличением номинальной частоты вращения п, среднего эффективного давления р_е или при применений двухтактного рабочего процесса.

   Увеличение литровой мощности посредством повышения п 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^-1.

  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 N_л=20...50 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" 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, при переходе с четырехтактного рабочего цикла на двухтактный литровая мощность должна увеличиваться в два раза.

В действительности же при этом N_a увеличивается всего лишь в 1,5...1,7 раза вследствие использования лишь части рабо­чего объема на процессы газообмена и снижения качества очист­ки и наполнения цилиндров, а также в результате дополнитель­ных затрат энергии на привод продувочного насоса.

     Большая (на 50...70%) литровая мощность — существенное достоинство двухтактного двигателя. Однако недоиспользование части рабочего объема цилиндра для получения индикаторной работы приводит к тому, что они имеют заметно более низкие энергоэкономические показатели, чем аналогичные четырехтакт­ные двигатели.

   К недостаткам двухтактных ДВС следует отнести сравните­льно большую тепловую напряженность элементов цилиндропоршневой группы из-за более кратковременного протекания про­цессов газообмена и, следовательно, меньшего теплоотвода от деталей, формирующих камеру сгорания, а также большего теплоподвода к ним в единицу времени, что объясняется вдвое более частым следованием процессов сгорания.

   Большим недостатком двухтактных карбюраторных двига­телей является потеря части горючей смеси в период продувки цилиндра, что значительно снижает их экономичность.

   Особое место в ряду мероприятий, направленных на повы­шение литровой мощности, занимает форсирование двигателей по среднему эффективному давлению р_е.

    Однако существенного увеличения N_n путем повышения р_е удается достигнуть лишь при увеличении тепловой загруженности рабочего цикла из-за подвода к рабочему телу большего количества теплоты.

     Необходимая для этого подача в цилиндр большего количе­ства топлива (возрастание цикловой  подачи требует для его полного сжигания и большего количества оки­слителя. На практике это реализуется путем увеличения количества свежего заряда, нагнетаемого в цилиндр дви­гателя под давлением.

Этот способ носит название над­дува двигателя. При этом р_е возраста­ет практически пропорционально уве­личению плотности свежего заряда.

   На рис.33 изображена схема двигателя с наддувом и механическим приводом компрессора от коленчато­го вала.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис. 33. Схема наддува двига­теля с приводным компрессором.

 

       Одним из недостатков такой системы наддува является существенное снижение экономичности двигателя обусловленное необходимостью затрат энергии на привод компрессора.

        Наибольшее распространение в практике современного  двигателестроения пол учил газотурбинный наддув, схема которого приведена на рис.34.

Рис.34 Схема турбонаддува

      

      Здесь для привода центробежного компрессора 1 используется энергия ОГ, сбрасываемая 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, но обеспечивается подача в цилиндр нужного количества свежею 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, подаваемою 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 проходною сечения), чтобы перед закрытием впускного клапана около нею 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 улучшится 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 I с наддувом и выборе величины давления на выходе из компрессора необходимо учитывать возможные последствия роста механических и тепловых нагрузок на его элементы.   

                Большое значение для оценки надежности и долговечности  двигателя имеют показатели, характеризующие тепловую и ди­намическую напряженность его конструкции.

    Основным показателем является средняя скорость поршня c_п=Sn/30, м/с, где S — ход поршня, м; п — частота вращения ко­ленчатого вала, мин^-1. Этот параметр оценивает механическую напряженность, так как определяет уровень загруженности деталей двигателя инерционными силами, пропорциональными c_п, а также косвенно характеризует износ сопряженных элементом.

    Параметром, определяющим комплексную напряжение и, (тепловую и механическую), является поршневая мощность (кВт/дм²)

     N_n представляет собой эффективную мощность, приходящуюся на единицу площади всех поршней. Этот параметр тесно связан с литровой мощностью двигателя, так как с учетом toi о, что iF_u=iV/S, N_п=N_лS.

     После подстановки в эту зависимость выражения (1.6), опре­деляющего N_л, получим

N_п=p_eс_ц/τ

Здесь р_е характеризует тепловую и механическую, а с_ц динамическую напряженность конструкции двигателя.

      В группу массогабаритных показателей входит удельная масса (кг/кВт), gN=M_№/N_e, представляющая собой массу сухого двигателя Мдв,, отнесенную к его номинальной эффективной мощности, а также литровая масса (кг/л)

    Эти показатели связаны между собой через литровую мощность: g_li=gJN_Jl.

При одинаковом рабочем объеме g_a у дизелей больше, чем у карбюраторных двигателей, в основном из-за большей массы элементов конструкции вследствие более высокой их тепловой, механической и динамической напряженности. Учитывая, что ди­зели без наддува, как правило, имеют меньшую iV_a, для них ха­рактерны большие, чем в двигателях с искровым зажиганием, значения удельной массы.

    Характерные значения массогабаритных показателей и пара­метров тепловой, механической и динамической напряженности конструкции основных типов транспортных двигателей приведе­ны в табл. 1.

  Таблица 1.

Тип ДВС	Параметры
	Сп, м/с	Nп,, кВт/дм^2	gл, кг/л	g n,кг/кВт
Карбюраторный­	8...б	22...41	50... 120	1,4.-7
Дизель    (без наддува)	9...12	11...19	30...150	2.8...10