оза / Effect

Эффективные показатели двигателя

Эффективными показателями называют величины, характеризующие работу двигателя, снимаемые с его вала и полезно используемые.

Полезная или эффективная работа за один цикл

L_e=L_i-L_МП,

где L_МП –работа механических потерь.

Среднее эффективное давление Р_е представляет собой отношение эффективной работы на валу двигателя к единице рабочего объема

или Р_е= Р_i-Р_МП

С ростом Р_е улучшаются условия использования рабочего объема цилиндра, что дает возможность создавать более легкие и компактные двигатели. Длительное время при создании автотракторных двигателей отмечалась тенденция к постоянному росту Р_е. Однако в последнее время тенденции резко изменились в связи с постоянно растущими требованиями к токсичности отработавших газов. Поэтому для современных ДВС характерно сохранение или даже некоторое снижение Р_е при резком улучшении экологических показателей за счет лучшей организации рабочего процесса и совершенства конструкции систем питания.

Полезная работа, полученная на валу двигателя в единицу времени называется эффективной мощностью

N_e=N_i-N_МП=

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 ДВС оценивают степень его форсированности. Двигатели, имеющие высокие значения N_л, называют форсированными.

Эффективный удельный расход топлива g_e и эффективный КПД η_e характеризуют экономичность работы двигателя

Эффективный КПД η_e представляет собой отношение количества теплоты, эквивалентной эффективной работе ко всей подведенной с топливом теплоте и характеризует степень использования теплоты с учетом всех потерь.

Для двигателей, работающих на жидком топливе:

на газовом

Если η_e учитывает относительную экономичность, то эффективный удельный расход топлива g_e оценивает расход топлива на единицу полученной мощности в 1 час.

При известных значениях g_e, H_u, η_e

Для двигателей, работающих на газовом топливе

В газовых двигателях оценку экономичности удобнее производить по удельному расходу теплоты, мДЖ/кВт ч

Механические потери удобнее выражать не в абсолютных, а в относительных единицах. Для этого вводят понятие механический КПД, который представляет собой отношение эффективных показателей к индикаторным

или

Связь между эффективным и механическим КПД

Влияние различных факторов на эффективные показатели двига­теля. Значение каждого из эффективных показателей определяется соответствующим индикаторным показателем и механическим КПД. Пути увеличения Р_i и η_i рассмотрены ранее. Среднее давление механических потерь Р_МП можно уменьшить за счет:

-правильного выбора теплового режима работы двигателя и поддержания этого режима в процессе эксплуатации;

-оптимального конструирования двигателя и его агрегатов. Правильный выбор конструкции и размеров впускной и выпуск­ной систем делает минимальными потери на газообмен. В эксплу­атации сопротивления систем не должны изменяться. Поверхности трущихся пар сводятся к целесообразному минимуму, при котором обеспечивается надежное жидкостное трение, а силы трения имеют малые значения. К минимуму сводится также количество поршне­вых колец. Выбор жесткости и формы деталей, соблюдение тех­нических условий при их изготовлении также важны для достижения надежного жидкостного трения и минимальных механических по­терь. Существенное значение имеет оптимизация конструкции, раз­меров и частоты вращения таких вспомогательных механизмов, как вентилятор, водяной и масляный насосы;

-рационального выбора материалов и технологии изготовления деталей, что улучшает смазку трущихся пар и снижет потери на трение;

-правильного выбора смазочного масла. При этом стремятся использовать масло с минимальной вязкостью, при которой обес­печиваются надежное жидкостное трение, длительная работа всех узлов двигателя при максимально возможных сроках смены и ми­нимальном угаре масла;

-использования в дизелях однополостных камер сгорания вме­сто разделенных. Этим достигается снижение механических потерь в результате исключения потерь на перетекание заряда.

Уменьшения Р_НАД добиваются оптимизацией типа, размеров, ча­стоты вращения и характеристик компрессора под заданные расход газа и степень повышения давления. Под оптимизацией здесь пони­мают достижение максимально возможного значения КПД компрессора во всем диапазоне режимов работы двигателя. Уменьшение затрат на при­вод компрессора, особенно на режимах малых нагрузок, можно обеспечить, используя перепуск воздуха или снижая частоту враще­ния компрессора, соединенного с двигателем при помощи регулиру­емой механической передачи. При применении наддува, особенно газотурбинного, механический КПД возрастает вследствие того, что Р_МП увеличивается в меньшей степени, чем Р_i. Поэтому P_е повы­шается в большей степени, чем P_i. В результате увеличения η_м эффек­тивный КПД повышается, даже когда при наддуве имеет место небольшое уменьшение P_i.

Важное значение при газотурбинном наддуве имеет КПД газо­турбокомпрессора. При его увеличении достигается снижение по­терь на газообмен.

Уменьшение η_м при снижении нагрузки объясняется тем, что Р_МП мало изменяется с уменьшением нагрузки, a P_i падает. Особенно резко η_м снижается в двигателях с искровым зажиганием, что связано с увеличением потерь на газообмен. При холостом ходе двигателя P_i=P_МП и η_м = 0. С ростом частоты вращения η_м уменьшается в связи с увеличением Р_МП

Характер изменения основных индикаторных и эффективных показателей в зависимости от п приведен на рис. Так как при увеличении частоты вращения η_м снижается, то максимальные зна­чения Р_е и η_е имеют место при п, меньших тех, при которых достигаются максимальные значения P_i и η_i

Рис. . Зависимость индикаторных, эффективных показателей и параметров, харак­теризующих механические потери двигателя, от частоты вращения

Связь между эффективной мощностью и параметрами рабочего процесса определяется из выражений

Из данного уравнения видно, что мощность двигателя может быть повышена за счет:

-увеличения рабочего объема цилиндра и количества цилиндров

-увеличения частоты вращения коленчатого вала.

-переход с четырехтактного на двухтактный цикл;

-увеличение плотности заряда улучшение наполняемости (наддув, улучшение организации газообмена, снижение сопротивлений на впуске и выпуске)

-повышение η_i за счет совершенствования процесса сгорания и сокращения потерь теплоты в течение сжатия и расширения.

-повышение η_м за счет снижения механических потерь

Связь между литровой мощностью и параметрами рабочего процесса определяется из выражений

Комплекс технических мероприятий, способствующих повыше­нию литровой мощности, называют форсированием двигателя.

Из выражения следует, что на значение литровой мощ­ности двигателя, оценивающей уровень форсирования двигателя, влияют Р_е (P_i,η_м), п (на номинальном режиме) и τ.

Увеличение литровой мощности посредством повышения п ши­роко используется в двигателях с искровым зажиганием, 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 двигателей с искровым зажиганием, имеющим N_л=20...50 кВт/л.

Однако в настоящее время в ряде конструкций дизелей легковых автомобилей трудности форсирования их по частоте вращения за счет внедрения электронной системы управления топливоподачей уда­ется преодолеть. Появляется все большее количество дизелей с но­минальной частотой вращения 4500...5500 мин ^-1 и литровой мощностью до 30 кВт/л и выше.

Для дизелей форсирование по частоте вращения менее характер­но, чем для двигателей с искровым зажиганием, 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 N_л возрастает всего лишь в 1,5...1,7 раза, что является следствием использования части хода поршня на ор­ганизацию процессов газообмена, 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 худшие удельные 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 меньшим периодом следования процессов сгорания.

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

Следует отметить дополнительно, что в двухтактных двигателях отсутствуют насосные потери, но имеются потери на привод компрессора, используемого для осуществления продувки, очистки и наполнения двигателя. В двухтактных двигателях мень­ше, чем в четырехтактных, потери на трение, обусловленные силами инерции, так как отсутствуют вспомогательные такты, но меньше также и значение среднего индикаторного давления. На величину η_м в большей степени влияют меньшие значения P_i и потери на привод компрессора.

Поэтому η_м двухтактных двигателей в среднем несколько ниже, чем четырехтактных. Это наряду со снижением P_i оказывает влияние на степень увеличения литровой мощности при переходе с четы­рехтактного цикла на двухтактный. Литровая мощность двигателей с искровым зажиганием, как правило, выше, чем у дизелей, в связи с большим значением номинальной частоты вращения, а при срав­нении двигателей без наддува — и большим значением Р_е.

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

На практике существенного увеличения Р_е удается достигнуть лишь за счет ввода в рабочий цикл большего количества теплоты. Необходимая для этого подача в цилиндр большего количества топлива 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. изображена схема двигателя с наддувом и механичес­ким приводом компрессора от коленчатого вала. Одним из недо­статков такой системы наддува является снижение экономичности двигателя, обусловленное необходимостью затрат энергии на при­вод компрессора.

Наибольшее распространение в практике современного двигателестроения получил газотурбинный наддув, схема которого приведе­на на рис. 1.10.

Здесь для привода центробежного компрессора 1 используется энергия ОГ, срабатываемая 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 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, не обеспечивается подача в цилиндр нужного количества свежего 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 одновременного использования и приводного и турбокомпрессоров.

При динамическом наддуве для повышения плотности свежего заряда, подаваемого в цилиндры двигателя, используются коле­бательные явления в системах газообмена (пульсации РТ в системе впуска и выпуска), являющиеся результатом цикличности следова­ния этих процессов в цилиндре.

Если, например, задать впускному тракту такие конструктивные параметры (в основном длину и площадь проходного сечения), чтобы перед закрытием впускного клапана около него была волна сжатия, то масса поступающего в цилиндр заряда увеличивается.

Рис. Схемы наддува двигателя с приводным компрессором и турбонаддува

Аналогичный эффект можно получить, «настроив» выпускной трубопровод так, чтобы в конце выпуска вблизи выпускного клапа­на 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 5... 10%.

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 с наддувом и вы­боре давления на выходе из компрессора Р_к необходимо учитывать возможные последствия роста механических и тепловых нагрузок на его элементы.

Применение наддува в двигателях с искровым зажиганием тре­бует принятия специальных мер по предотвращению нарушения процесса сгорания, называемого детонацией. Это обстоятельство, а также более высокая тепловая напряженность лопаток турбины из-за большей температуры ОГ существенно услож­няют практические возможности использования наддува в двига­телях данного типа.

9