МЕТОДЫ ПОВЫШЕНИЯ МОЩНОСТИ ДИЗЕЛЕЙ
Развитие конструкций дизелей совершается в направлении повышения мощности, экономичности в расходовании топлива и повышения долговечности.
В практике требуемую мощность стремятся получить, подбирая двигатель из числа существующих конструкций, и только отсутствие двигателей потребной мощности приводит к необходимости создания двигателей новых конструкций.
При проектировании транспортного двигателя основной задачей является создание конструкции с минимальными габаритными размерами, долговечного и надежно работающего в эксплуатации, развивающего высокую эффективную мощность с достаточно хорошей экономичностью. Индикаторная мощность связана с расходом воздуха в двигателе и количеством тепла, внесенным в двигатель. Количество воздуха, поступающего в двигатель в кг/час, может быть выражено так:
где Vh — рабочий объем цилиндра двигателя в м3;
γв —удельный вес воздуха перед цилиндром в кг/м3
τ — число тактов двигателя.
Количество тепла, внесенного в двигатель в течение часа, равно
Индикаторная мощность
Эффективная мощность соответственно определится выражением
Повышение эффективной мощности за счет увеличения числа цилиндров или увеличения их диаметра неизбежно приводит к увеличению веса и габаритных размеров двигателя. Таким путем целесообразнее стремиться к повышению литровой мощности двигателя и только при крайней необходимости следует увеличивать его литраж.
Литровая мощность определяется как отношение эффективной мощности-двигателя к его литражу, т. е.
или
Из приведенного уравнения следует, что литровая мощность прямо пропорциональна:
1) весовому количеству воздуха, равному Gв = (0,120/τ)*ηв*n*γв , поступающему в рабочий объем Vh, равный 1 л.
степени совершенства процесса, оцениваемой отношением ηi/а- индикаторного к. п. д. к коэффициенту избытка воздуха;
отношению Hu/L0 — теплотворной способности топлива к теоретически необходимому количеству воздуха для сгорания 1 кг топлива. Это отношение для всех жидких топлив практически одинаково (в среднем 2900 — 3000 Дж/кг);
4) механическому к. п. д. (ηm).
Количество воздуха, заполняющего рабочий объем, может быть увеличено за счет числа оборотов двигателя (n), коэффициента наполнения (ηв) весовой плотности воздуха, поступающего в цилиндр (γв ), и числа тактов (τ), или раздельно каждым из этих факторов или сочетанием отдельных факторов. Вне зависимости от того, какой метод будет принят для повышения литровой мощности двигателя, необходимо учитывать взаимосвязь между факторами, входящими в уравнение, и их влияние на литровую мощность и долговечность машины.
ВЛИЯНИЕ ЧИСЛА ОБОРОТОВ
Увеличение числа оборотов является весьма выгодным мероприятием для повышения литровой мощности. В действительных условиях работы при неизменном проходном сечении клапанов впуска и атмосферном давлении на, впуске литровая мощность становятся максимальной при тех оборотах, которые соответствуют максимальному значению произведения (ηi/а)*ηв*ηm*n с повышением оборотов произведение коэффициента наполнения на механический к. п. д. уменьшается в большей степени, чем увеличивается число оборотов. Заметим, что коэффициент наполнения может получить некоторое приращение в результате подбора наивыгоднейших фаз газораспределения и уменьшения гидравлических сопротивлений системы впуска, но оказать значительного влияния на увеличение мощности не может.
Механический к. п. д. находится в непосредственной зависимости от числа оборотов. С увеличением числа оборотов ηm снижается.
Повышение литровой мощности может быть получено, если при заданном увеличении числа оборотов от n1 до n2 сохранить тот же коэффициент наполнения который был до форсирования двигателя.
Условием для сохранения равенства коэффициента наполнения является относительное постоянство расхода воздуха в единицу времени через систему впуска, т. е. сохранение наивыгоднейших условий наполнения как для n1, так и для n2.
Однако форсировка двигателя по оборотам сопряжена с вопросом долговечности машины, поскольку увеличение числа оборотов приводит к возрастанию сил инерции и скоростей деталей движения, в первую очередь скорости поршня. В результате повышается нагрузка на единицу несущей поверхности подшипников, что может привести к нарушению нормального режима работы последних. Повышаются напряжения в шатуне, шатунных болтах, коленчатом валу и других деталях. Повышаются механические потери на трение, а следовательно, увеличиваются износы цилиндра, поршня, коренных и шатунных подшипников и шеек коленчатого вала.
Таким образом, прежде чем окончательно выбрать число оборотов двигателя, следует проверить надежность подшипников вала и запасы прочности других деталей.
Если задано значительно форсировать двигатель по оборотам, целесообразно не только изменить размеры вала с расчетом обеспечения надежности работы подшипников, но изменить в сторону уменьшения ход поршня с целью снижения работы трения и обеспечения износоустойчивости всей машины. Значительная форсировка двигателя по оборотам для данной размерности двигателя требует применения более качественных материалов для основных деталей и более трудоемкой технологии производства их. Несмотря на указанные трудности, следует неуклонно вести работы в направлении повышения числа оборотов двигателя, так как параметр оборотности является одним из выгодных факторов повышения литровой мощности. Что же касается индикаторного к. п. д, то по экспериментам на двигателе при постоянном коэффициенте избытка воздуха с увеличением числа оборотов до определенного предела он изменяется мало и его допустимо считать постоянным.
Зная литраж двигателя Vh, легко перейти от литровой мощности к общей. Если двигатель форсировать по оборотам и составу смеси, то эффективная мощность равна
ВЛИЯНИЕ ПЛОТНОСТИ ВОЗДУХА
Другим мероприятием форсирования двигателя является наддув. Наполнение рабочего объема воздухом в данном случае совершается принудительно. Заряд имеет большую плотность, чем при нормальном наполнении с атмосферным давлением на впуске. Агрегаты, осуществляющие наддув, называются нагнетателями
Рассмотрим вначале влияние наддува на мощность, а затем на индикаторный процесс в связи с экономичностью машины. Как было выявлено, литровая мощность пропорциональна количеству поступающего воздуха, которое при n = const зависит от плотности последнего и коэффициента наполнения.
Эффективность применения наддува для дизелей может быть выявлена из сравнения литровых мощностей двух по размерности одинаковых двигателей, из которых один работает без наддува, а второй -с наддувом.
Для определения среднего давления трения четырех- и шестицилиндровых дизелей с размерностью диаметра цилиндра D = 90—120 мм:
1) с неразделенными камерами
рт = 0,95 + 0,112 ст кг/см2
2) с разделенными камерами
рт = 1,22 + 0,158 ст кг\см2
Для дизелей с диаметром цилиндра, большим чем 125 мм, и числом цилиндров, большим шести:
1) для четырехтактных с неразделенными камерами
рт = 0,3 + 0,12 ст кг\см2
При наддуве дизеля целесообразна продувка камеры сгорания воздухом, которая осуществляется в начале хода наполнения благодаря фазам перекрытия клапанов впуска и выпуска. В случае продувки камеры сгорания уменьшается количество
остаточных газов в цилиндре двигателя, охлаждаются стенки камеры сгорания, днище поршня, клапаны, а следовательно, уменьшается подогрев поступающего воздуха и тем самым увеличивается весовой заряд его в цилиндре. Охлаждение воздухом поршня и клапанов создает более благоприятные условия их работы
ВЛИЯНИЕ ЧИСЛА ТАКТОВ
При оценке влияния числа тактов на литровую мощность следует сравнить два двигателя — четырехтактный и двухтактный одинаковой размерности и оборотности. Для общности рассматриваемого вопроса примем, что оба двигателя имеют агрегаты наддува, работающие при равных давлениях рк, следовательно, можно допустить, что весовая плотность воздуха перед цилиндрами одинакова.
Если оба двигателя характеризуются одинаковыми камерами сгорания, одинаковыми законами подачи топлива, то при одинаковых значениях коэффициента избытка воздуха можно получить одинаковые значения индикаторного к. п. д.;
Что же касается отношения механических к. п. д., то в первом приближении его можно определить через отношение удельных эффективных расходов топлива двигателей, работающих с одинаковым наддувом и приблизительно равными коэффициентами избытка воздуха.
Удельный эффективный расход топлива четырехтактного двигателя с наддувом 1,55 кг/см2 при а = 1,5равен 195 г/л. с.-ч, соответственно двухтактного, двигателя — 215 г/л. с.-ч. Таким образом, ориентировочно отношение механических к. п. д. равняется 0,91. Тогда
Как следует из уравнения, литровая мощность двухтактного двигателя получается на 50% большей, чем у четырехтактного двигателя.
Таким путем для повышения литровой и общей мощности двигателя выгодно:
увеличение числа оборотов,
применение наддува,
применение двухтактного цикла.
Руководящим соображением при форсировке двигателя за счет повышения числа оборотов и степени наддува является допустимый условиями эксплуатации удельный эффективный расход топлива, зависящий от механического к. п. д. двигателя.
В зависимости от назначения машины выбираются те или иные параметры форсировки. Так, например, повышение мощности бензиновых авто двигателей за последние время совершалось главным образом за счет увеличения числа оборотов.
Следует отметить, что эффективное сочетание трех главнейших факторов форсировки двигателя требует внимательного подхода к выбору размерности, позволяющей обеспечить долговечность машины, складывающуюся в первую очередь из надежной работы поршня, а также кривошипно-шатунного механизма.
ИНДИКАТОРНЫЙ К. П. Д., УДЕЛЬНЫЙ ИНДИКАТОРНЫЙ И УДЕЛЬНЫЙ ЭФФЕКТИВНЫЙ РАСХОДЫ ТОПЛИВА
Двигатели, различающиеся как по размерности рабочего объема, так и по способу смесеобразования, при прочих равных условиях имеют разную величину индикаторного к. п. д. Для двигателя заданной размерности и способа смесеобразования индикаторный к. п. д. может меняться только при изменении скорости сгорания, т. е. скорости превращения топлива в конечные продукты сгорания по времени, полноты сгорания и тепловых потерь в стенки. Влияние конструктивных и эксплуатационных факторов на приведенные выше параметры процесса рассмотрено ранее. Мы рассмотрим только влияние на индикаторный к. п. д. давления наддува pk и температуры Tk.
Величина индикаторного к. п. д., как известно, определяется по формуле:
На индикаторный к. п. д. величина наддува pk и температура Тк влияния не оказывают.
Индикаторный к. п. д. определяется величиной коэффициента избытка воздуха, не зависимо от того, получено ли его значение путем увеличения давления наддува pk , или снижением температуры Тк или изменением подачи топлива в цилиндр двигателя.
Удельный индикаторный расход определяется через индикаторный к. п. д., поэтому он также зависит от коэффициента избытка воздуха и не зависит от pk и Тк.
Что же касается удельного эффективного расхода, то при заданном значении давления наддува pk и заданном коэффициенте избытка воздуха он зависит от механического к. п. д, двигателя.
ВЫБОР ОСНОВНЫХ ПАРАМЕТРОВ ТЕПЛОВОГО ПРОЦЕССА ТРАНСПОРТНОГО ДИЗЕЛЯ, РАБОТАЮЩЕГО С НАДДУВОМ
Характеристика двигателя должна удовлетворять динамическим требованиям, которые определяются не только необходимой максимальной мощностью, развиваемой двигателем, но и выгодным изменением крутящего момента по оборотам, как по внешней характеристике, так и на частичных нагрузках.
Изменение числа оборотов двигателя с изменением внешнего сопротивления зависит от коэффициента приспособляемости двигателя. Коэффициентом приспособляемости принято называть отношение максимального крутящего момента к моменту при номинальной мощности. Для дизелей транспортного типа коэффициент приспособляемости колеблется в пределах от 1,1 до 1,25. Чем круче подъем крутящего момента с понижением числа оборотов, тем больше коэффициент приспособляемости, тем устойчивее режим работы двигателя. Обычно приспособляемость транспортного дизеля на частичных нагрузках убавляется регулятором, а по внешней характеристике — корректором. Роль регулятора - корректора, сводится к тому, чтобы, воздействуя на подачу топлива, получать такие значения коэффициента избытка воздуха по оборотам, которые обеспечивают высокий коэффициент приспособляемости двигателя.
Если число оборотов изменится в сторону уменьшения, то коэффициент избытка воздуха увеличится благодаря соответствующим изменениям подачи воздуха и топлива.
Наоборот, если число оборотов изменится в сторону увеличения, то двигатель будет работать на обогащенных смесях с дымным выпуском, так как подача воздуха остается почти постоянной, а подача топлива увеличивается. Общее изменение коэффициента избытка воздуха по оборотам показывает низкую приспособляемость двигателя.
При наполнении двигателя без наддува характер изменения начальных параметров процесса будет иным, влияние а значительно больше, чем при наддуве. Чтобы получить при наддуве Pim>Pie необходимо увеличить степень повышения давления до λ', т. е. фактически максимальное давление сгорания для оборотов максимального крутящего момента.
Увеличение давления конца сгорания, а равно и степень повышения давления достигается увеличением угла опережения впрыска θ', подбираемого опытным путем. Дизель с наддувом должен работать не только с переменным коэффициентом избытка воздуха по оборотам, но и с переменным углом опережения впрыска топлива. Определив среднее индикаторное давление Pi`, среднее давление трения рт и среднее давление, затрачиваемое на нагнетатель, далее по балансу мощностей можно окончательно вычислить развиваемую двигателем эффективную мощность по формуле
Nek=Nik-NT-Nc
Механический к. п. д. соответственно определяется по выражению
После этого следует проверить экономичность двигателя, т. е. найти удельный эффективный расход топлива.