ПАРАМЕТРЫ, ХАРАКТЕРИЗУЮЩИЕ РАБОТУ ДВИГАТЕЛЯ В ЦЕЛОМ

Эффективная мощность и  механические потери


Некоторая часть индикаторной мощности, развиваемой в цилиндре двигателя, тратится на преодоление трения в двигателе и на приведение в действие вспомогательных механизмов.

Эти потери мощности называются механическими. К числу механических потерь относятся:

1) мощность, затрачиваемая на трение между деталями двигателя (например, трение поршня и поршневых колец о зеркало цилиндра, трение в шатунных и коренных подшипниках, трение в распределительном механизме и пр.);

2) мощность, затрачиваемая на преодоление трения   между движущимися   деталями  и  воздухом  (например,  движение шатунов,   вращение  коленчатого   вала   и  маховика  в  воздушной среде), 

3) мощность, затрачиваемая на  приведение в действие ряда вспомогательных устройств двигателя, как-то: водяная и масляная помпы, вентилятор для охлаждения радиатора или вентилятор для обдува цилиндров  при воздушном охлаждении, генератор, топливный насос и т. п.

В тех случаях, когда среднее индикаторное давление определяется без насосных потерь, т. е. без учета поправки на отрицательную площадку за периоды выпуска и впуска, то к механическим потерям должны быть отнесены также и эти насосные потери.

В конечном итоге на сцепление в двигателях передается мощность, меньшая индикаторной. Эта мощность носит название эффективной мощности Ne.

Если мощность, затрачиваемую на механические потери, обозначить через NT, то

Ne = Ni — NT ,    л. с.

Величиной, характеризующей уменьшение мощности двигателя вследствие механических потерь, является механический к. п. д. ηm  представляющий собой отношение эффективной мощности к индикаторной:

ηm  = Ne/ Ni.

Механический к. п. д. ηm для всех двигателей получает наибольшие значения порядка 0,9--0,93 при малых оборотах и неуклонно уменьшается с увеличением числа оборотов вследствие значительного увеличения мощности NT.

Замена в уравнении  Ne разностью Ni- NT дает выражение для ηm 

ηm=1- NT/ Ni 

В случае уменьшения нагрузки двигателя, при условии сохранения постоянства числа оборотов, что достигается в карбюраторных и газовых двигателях прикрыванием дроссельной заслонки, а в дизелях— уменьшением количества впрыскиваемого в цилиндр топлива, механический к. п. д.  уменьшается и в пределе, когда двигатель при данном числе оборотов n начинает работать вхолостую, становится равным нулю.

Это видно непосредственно из уравнений.

По мере уменьшения нагрузки уменьшается индикаторная мощность Ni при остающейся примерно постоянной величине Nт (обороты постоянны), что приводит к увеличению дроби в правой части уравнения,  т. е. к уменьшению коэффициента ηm.

При холостой работе двигателя ηm = 0, так как в данном случае Ne=0 и вся индикаторная мощность идет на покрытие механических потерь (Ni — NT)

Если воспользоваться выражением  индикаторной мощности и применить его для мощности эффективной, то

Ne=Pe*Vh*n/225*τ, л.с.

где Pe, кг/см2 называется средним эффективным давлением.

Среднее, эффективное давление представляет собой среднее индикаторное давление, уменьшенное на величину механических потерь и отнесенное к сцеплению. Разность между Pi и Pe носит название среднего давления работы трения и аналогично Pe или Pi выражается через соответствующую мощность Nт.

Рт=225*τ* Nт/ Vh*n, кг/см2.

Очевидно, что Рт=Pi-Pe; ηm=Pe/Pi=1-Рт/Pi.

В результате анализа величин среднего давления трения можно принять в первом приближении Рт возрастающим с увеличением средней скорости поршня Сm по прямолинейному закону согласно уравнениям:

для карбюраторных двигателей

Рт0,35+0,115 Cm, кг/см2,

а для дизелей

Рт0,90+0,15 Cm, кг/см2,


Эффективный удельный расход топлива и эффективный к. п. д.

Параметрами, характеризующими экономичность работы двигателя, являются удельный расход топлива на одну эффективную силу мощности двигателя за 1 час его работы gе и обратная ему величина—эффективный к. п. д. ηе.

При испытаниях двигателя определение величины ge производится непосредственно путем деления часового расхода топлива GT кг/час на замеренную величину эффективной мощности двигателя Ne:

ge= GT/ Ne, кг/э.л.с.-ч 

После замены в уравнении  Ne через Ni ηm  получается

ge= GT/ Ni * 1/ηm= gi/ηm.

При   проведении тепловых расчетов определение величины удельного  расхода ge можно   производить по величинам Pe, a, ηv.

для карбюраторных двигателей и дизелей  


Удельный расход топлива для применяемых в настоящее время карбюраторных двигателей, как минимум, достигает величины ge = 200 - 210 г/э. л. с.-ч.

Для дизелей соответствующее значение ge доходит до ge = 165 -185 г/э. л. с.-ч.

Эффективный к. п. д. двигателя ηе характеризует в целом степень использования теплоты топлива двигателем, учитывает все имеющиеся в нем потери (как тепловые, так и механические) и аналогично коэффициенту ηi , представляет собой отношение теплоты, эквивалентной эффективной работе, к теплоте израсходованного топлива.

Величину ηе на этом основании можно подсчитать по уравнению


откуда после замены


 В результате деления уравнения  на аналогичное уравнение  получается


откуда находится связь между тремя основными к. п. д. двигателя


Таким образом коэффициент ηе, характеризующий все потери в двигателе, равен произведению двух коэффициентов, из которых первый  характеризует только тепловые потери, а второй - только механические.


Литровая мощность двигателя

Наиболее часто применяемым показателем, характеризующим двигатель с точки зрения использования его литража, является литровая эффективная мощность Nл т. е. эффективная мощность, приходящаяся на 1 л рабочего объема.

Эта мощность


После подстановки в уравнение общего выражения эффективной мощности Ne из уравнения 


или, так как Pe=Pi*ηm то


Использование зависимости ηI=f(ηv,a,Pi) дает для литровой мощности следующие окончательные выражения:

для карбюраторных двигателей или дизелей


Полученные формулы литровой мощности позволяют анализировать влияние различных факторов на мощность двигателя, а также наметить пути форсирования двигателя с целью получения от него при сохранении прежнего геометрического рабочего объема цилиндров возможно большей эффективной мощности.

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—40°/0 от всей располагаемой теплоты превращается в полезную эффективную работу; остальная же часть в количестве 60—80°/0 от располагаемой теплоты не используется, уходя в охлаждающую среду, с отработавшими газами и пр.

В паспортах двигателей обычно указывается литровая мощность, отнесенная к максимальной эффективной мощности.

Распределение количества затрачиваемой теплоты на полезную работу и отдельные составляющие, соответственно различным потерям в двигателе, представляется тепловым балансом. Давая картину распределения этой теплоты, тепловой баланс одновременно характеризует двигатель с точки зрения экономичности его работы, позволяет установить причины ухудшения теплоиспользования в двигателе и затем наметить наиболее рациональные средства для устранения этих причин.

Помимо того, определяя количественно потери теплоты в охлаждающую среду, тепловой баланс дает основание для более правильного выбора элементов охлаждающей системы (назначение температурного режима охлаждающей среды, размеров охлаждающей поверхности, скорости обдува и пр.).

Составляется тепловой баланс для строго установившегося по времени теплового режима работы двигателя.

Количества теплоты, распределяющейся по различным статьям теплового баланса, обычно выражаются или непосредственно в калориях за единицу времени работы двигателя (например, за 1 час, за 1 сек., за время совершения одного цикла, на 1 л. с.-ч за время и расходования единицы количества топлива и т. п.), или же в процентах по отношению ко всему количеству затраченной теплоты. Наиболее распространено исчисление теплового баланса в процентах и в калориях за 1 час работы (в предположении, что за это время двигатель имеет постоянными все параметры, могущие влиять на изменение показателей его работы).

В зависимости от того, какая величина выбрана за переменную и какие сохраняются неизменными при переходе от одной точки диаграммы баланса к другой, тепловой баланс можно получить при самых разнообразных условиях испытания, например: по внешней характеристике, по нагрузочной характеристике, по характеристике по составу смеси карбюраторного двигателя (постоянны положение дросселя и число оборотов, переменно соотношение между количествами топлива и воздуха) и т. п.

В общем виде уравнение внешнего теплового баланса состоит из следующих основных элементов:


где Q — теплота израсходованного топлива, т. е. так называемая располагаемая теплота;

Qe— теплота, эквивалентная полезной эффективной работе двигателя;

Qo — теплота, потерянная с охлаждением через стенки цилиндра и камеры сгорания;

Qв — теплота, унесенная отработавшими газами;

Qн — теплота, соответствующая теоретической неполноте сгорания при недостатке воздуха (а<1);


Qocmтак называемый остаточный член баланса, равный сумме всех других потерь теплоты, не вошедших в первые четыре члена его правой части.

При исчислении величин теплового баланса в процентах его уравнение представится в следующем виде: 

qe+ q0+ qв+ qн+ qост=100%

В данном случае каждое слагаемое в левой части уравнения  представляет собой количество теплоты в процентах по отношению ко всей располагаемой теплоте Q, т. е.

qe = Qe/Q; и т. д.

В тех случаях, когда двигатель работает при а<1, теплота Q не может быть выделена при сгорании топлива, даже в идеально работающем двигателе. Поэтому в данном случае с термодинамической стороны правильнее исчислять тепловой баланс в процентах по отношению не ко всей теплоте Q, а к так называемой «активной» теплоте топлива Q', равной Q — Qн.

Теплота, эквивалентная полезной эффективной работе двигателя за 1 час, 

Qe=632Ne.

Отношение теплоты Qе к располагаемой Q определяет собой полезное использование теплоты топлива в двигателе и численно равно эффективному к. п. д. ηе.

Отношение Qe к „активной" располагаемой теплоте Q' представляет интерес только с чисто термодинамической стороны; оно характеризует двигатель с точки зрения совершенства превращения в полезную работу не всей теплоты расходуемого топлива, а только той ее части, которая обеспечивается кислородом для сгорания и является фактически располагаемой.

Количество теплоты Q0, теряемой с охлаждением, определяется опытным путем. При водяном охлаждении эта теплота находится путем замера количества воды, прошедшего за единицу времени через рубашку двигателя и повышения ее температуры при этом, а при воздушном охлаждении — путем замера расхода охлаждающего воздуха за единицу времени и разницы температур его после цилиндров и перед ними.

Теплота, теряемая в двигателе с охлаждением, в основном включает в себя:

а)  теплоту, отданную газами охлаждающей среде за периоды сжатия, сгорания и расширения;

б)  теплоту, отданную газами охлаждающей среде через стенки цилиндра за период выпуска;

в)  теплоту, отданную газами охлаждающей среде в   выпускном патрубке;

г)   теплоту, полученную  охлаждающей средой через стенки от трения поршня о зеркало цилиндра, и

д)  теплоту, полученную охлаждающей средой через смазочное масло.

Потери теплоты с охлаждением являются неизбежными, так как при отсутствии этих потерь, т. е. при отсутствии вообще охлаждения, не может работать ни один реальный двигатель внутреннего сгорания.

При чрезмерном уменьшении охлаждения наступает перегрев цилиндров двигателя, приводящий к уменьшению коэффициента наполнения, к горению масла на зеркале цилиндрам к пригоранию поршневых колец (что может вызвать заедание поршня и обрыв шатуна), к появлению преждевременных вспышек, детонации, перегреву электродов свечей и выгоранию выпускных клапанов в двигателях с зажиганием от свечи, а также к другим отклонениям в работе двигателя, могущим вызвать аварию. Поэтому уменьшение потери теплоты с охлаждением с целью повышения эффективного к. п. д. двигателя возможно лишь до известных пределов, пока не нарушается нормальная работа двигателя.

Отработавшие газы, покидающие двигатель, имеют сравнительно высокую температуру и таким образом уносят с собой значительное количество неиспользованной энергии. Потери теплоты с выпускными газами, наравне с потерями за счет охлаждения, являются основными.

Величина этих потерь Qв обычно характеризует собой полное теплосодержание выпускных газов за выпускным патрубком.

Однако при подсчете в тепловом балансе количества теплоты, потерянной с выпускными газами, должно быть учтено то обстоятельство, что при зарядке цилиндр заполняется свежим зарядом, имеющим некоторую температуру Т '0. Поскольку вносимая в цилиндр теплота свежего заряда не вошла в левую часть теплового баланса, то необходимо от полной величины тепловой энергии отходящих газов отнять теплосодержание свежего заряда.

Таким образом, выражение для потерянной теплоты Qв, примет следующий вид:

Qв2 Gт Ср’’в0),

Здесь Тв —абсолютная температура выпускных газов за выпускным патрубком;

То— абсолютная температура свежего заряда при поступлении его в цилиндр двигателя.

Потеря теплоты за счет теоретического недостатка кислорода воздуха определяется по формуле

QH = Δ hu • GT ,  или в развернутом виде

Qн = 28 400(1— a) L0 ge Ne 

При а>1 это количество теплоты равно нулю.

Помимо теоретической неполноты сгорания и указанных выше двух основных потерь теплоты с охлаждением и с отработавшими газами, двигатель имеет еще ряд других трудно учитываемых потерь теплоты, которые обычно оцениваются суммарно и включаются в последний, так называемый остаточный член теплового баланса 

Qocm = Q - (Qе+ Qo + Qв + QH).                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                

Остаточный член баланса включает в себя:

1)  теплоту, соответствующую мощности трения Nmp  зa вычетом той  его  части, которая  перешла   в   охлаждающую среду через стенки цилиндра и через смазочное масло и учтена, таким образом,  вторым членом  баланса   Q0.  Эта  теплота   переходит в окружающую среду за   счет  тепловой   радиации  двигателя;

2)  теплоту, соответствующую кинетической энергии выпускных газов;

3)  теплоту, теряемую вследствие излучения внешних поверхностей двигателя, и

4)  теплоту, теряемую за счет так называемой  практической неполноты сгорания   (при а>1) вследствие:  а) несовершенства перемешивания топлива с воздухом; б) недостатка времени для сгорания и недостатка времени для полного восстановления продуктов диссоциации и в) неравномерности распределения смеси в карбюраторных двигателях, имеющих впускной трубопровод, общий на несколько цилиндров.

Последнее обстоятельство является чрезвычайно важным, так как сплошь и рядом в карбюраторных двигателях недобор мощности и перерасход горючего бывает связан как раз с неравномерным распределением топлива по цилиндрам.

Как показали опыты, во впускном трубопроводе после карбюратора не получается равномерной однородной смеси воздуха с топливом. Топливо, для испарения которого было достаточно теплоты воздуха и достаточно времени, находится в парообразном состоянии, хорошо перемешано с воздухом и заполняет цилиндры сравнительно равномерно.

Другая же  значительно  меньшая  часть   топлива   остается   во   впускном трубопроводе   в   жидком   состоянии   и   в   виде  жидкой   пленки движется но внутренним стенкам трубопровода со скоростью, значительно меньшей скорости воздуха.

Экспериментальным путем установлено, что форма впускного трубопровода оказывает значительное влияние на характер движения этой пленки и является основной причиной неравномерности распределения не испаренного топлива по цилиндрам. Последнее приводит к тому, что часть цилиндров получает более богатую, а другая часть их — более бедную смесь. Это в свою очередь является одной из главных причин одновременного присутствия в выпускном трубопроводе как продуктов неполного сгорания топлива, так и свободного кислорода.

Глубокая дифференциация тепловых потерь при составлении теплового баланса (например, определение количеств теплоты протекающих через отдельные детали двигателя, как поршень,  клапан и т, п.) дает возможность находить средство для увеличения срока службы как отдельных деталей, так и всего двигателя в целом.

Распределение теплоты между отдельными потерями зависит от целого ряда факторов как эксплуатационного, так и конструктивного порядка. Так, например, процент теплоты, теряемой с охлаждением qQ, непрерывно уменьшается с повышением числа оборотов и с увеличением размеров цилиндра, тогда как qе  при этом увеличивается.

Определение величин давления газов в цилиндре, необходимых для расчета деталей двигателя на прочность, выявление экономичности процесса, оценка мощности двигателя, имеющего определенные размеры, или определение размеров и числа цилиндров по заданной мощности и заданному режиму работы для вновь проектируемых двигателей могут быть произведены с достаточной для практики точностью на основании теплового расчета.

Тепловой расчет возможен двух видов:

тепловой расчет проектируемого двигателя 

поверочный тепловой расчет выполненного двигателя.

В обоих этих случаях основные расчетные величины определяются с той или иной степенью точности в зависимости от того, насколько удачно будут оценены исходные параметры расчета, как-то: коэффициент наполнения, температура и давление остаточных газов, подогрев свежего заряда, средние показатели политроп сжатия и расширения и пр.

Совершенно очевидно, что для двигателей осуществленных: исходные параметры расчета можно оценить более точно при использовании результатов испытаний этих двигателей. Поэтому к поверочному расчету предъявляются более жесткие требования. 

В качестве примера представлена развернутая схема теплового баланса двигателя, дающая наглядное представление о движении потоков теплоты в двигателе и показывающая, какие потери теплоты включаются в тот или иной член баланса.