38
Влияние атмосферных условий на работу двигателя
Состояние атмосферного воздуха характеризуется тремя параметрами: давлением, температурой и влажностью.
Для двигателей, работающих без наддува, может быть принята прямая зависимость между индикаторной мощностью и абсолютным давлением поступающего воздуха. EMBED Equation.3
изменение индикаторной мощности прямо пропорционально изменению весового количества воздуха, поступающего в двигатель за рабочий цикл EMBED Equation.3
увеличении влажности поступающего в цилиндр воздуха уменьшает мощность двигателя.
39
ВЛИЯНИЕ ЭКСПЛУАТАЦИОННЫХ ФАКТОРОВ НА РАБОТУ ДИЗЕЛЯ
К числу таких факторов относятся: химический состав топлива, начальные условия на впуске, начало впрыска, состав смеси, нагрузка и число оборотов, конструктивные факторы. Влияние химического состава топлива: В дизелях воспламенение рабочей смеси связано с температурой самовоспламенения топлива, которая зависит от химического состава топлива. Чем больше в топливе содержится парафиновых углеводородов, тем меньше период запаздывания самовоспламенения и наоборот. Увеличение давления в цилиндре резко снижает температуру самовоспламенения. Повышение давления на впуске, увеличивает давление конца сжатия воздуха и повышается концентрация кислорода.
40
ВЛИЯНИЕ НАЧАЛЬНЫХ УСЛОВИЙ НА ВПУСКЕ и НАЧАЛА ВПРЫСКА ТОПЛИВА
Начальными условиями на впуске являются: давление и температура воздуха, поступающего в цилиндр двигателя, а также концентрация кислорода в воздухе. Увеличение давления среды, куда впрыскивается топливо, резко снижает температуру самовоспламенения, поэтому изменение давления на впуске, отражается на периоде запаздывания самовоспламенения. Повышение давления на впуске, а так же в конце сжатия увеличивает плотность воздуха, в результате улучшается теплообмен между воздухом и топливом и повышается концентрация кислорода, способствующая быстрейшему окислению. Это приводит к снижению запаздывания самовоспламенения и более плавному горению. Абсолютная величина наивыгоднейшего угла опережения впрыска для каждой камеры сгорания различна. Одинаковое максимальное давление устанавливается при разных углах опережения впрыска, которым соответствует разная продолжительность задержки. В данном случае наивыгоднейшей по экономичности процесса является камера сгорания с вихреобразованием. Двигатели с вихревой камерой менее чувствительны к углу опережения впрыска, чем с непосредственным распиливанием топлива. Следовательно абсолютное значение наивыгоднейшего угла опережения впрыска зависит от способа смесеобразования и начальных условий на впуске.
41
Конструктивные факторы влияющие на работу дизеля.
Основными конструктивными факторами, влияющими на мощность двигателя, являются: степень сжатия, конструкция камеры сгорания, материал поршня, а также качество распыливания и продолжительность подачи топлива. Увеличение степени сжатия повышает начало впрыска давление и температуру к концу сжатия. Это приводит к увеличению концентрации кислорода и улучшению теплообмена между впрыснутым топливом и воздухом. Таким путем сокращается период подготовки топлива к воспламенению, что выгодно отражается на протекании рабочего процесса. Конструктивные особенности влияют на получение высокого среднего давления и минимального удельного расхода топлива (при умеренном максимальном давлении сгорания).
Горячие поверхности камеры сгорания сокращают период задержки самовоспламенения. Температура чугунного поршня выше температуры поршня из алюминиевого сплава вследствие меньшей теплопроводности чугуна, что способствует уменьшению периода задержки самовоспламенения. Мелкость распыливания влияет на время сгорания, поскольку мелкие капли топлива, перемешиваясь с воздухом равномерно распределяются по объему камеры сгорания и образуют однородную смесь. Одной из причин увеличения угла опережения впрыска является образование неоднородной смеси. Начало дымления при большем коэффициенте избытка воздуха.
42
Влияние степени сжатия
Увеличение степени сжатия повышает начало впрыска давление и температуру к концу сжатия. Это приводит к увеличению концентрации кислорода и улучшению теплообмена между впрыснутым топливом и воздухом. Таким путем сокращается период подготовки топлива к воспламенению, что выгодно отражается на протекании рабочего процесса. С увеличением степени сжатия значительно сокращается период запаздывания самовоспламенения, снижается скорость нарастания давления, работа двигателя становится более плавной. Максимальное давление сгорания возрастает; удельный индикаторный расход топлива уменьшается, поскольку повышается среднее индикаторное давление, вызывающее увеличение индикаторного к. п. д. Пусковые качества двигателя улучшаются.
Конструктивные особенности влияют на получение высокого среднего давления и минимального удельного расхода топлива (при умеренном максимальном давлении сгорания).
Вихревое движение значительно влияет на закон сгорания топлива. На процесс смесеобразования эффективное влияние оказывает вихреобразование в конце хода сжатия. Вихревое движение воздуха улучшает теплообмен и сокращает запаздывание самовоспламенения. Однако с увеличением вихревого отношения скорость нарастания давления и максимальное давление сгорания увеличиваются. Соответственно возрастает среднее давление, но удельный расход топлива уменьшается. Снижение температуры отработавших газов с увеличением вихревого отношения при постоянной подаче и угле опережения впрыска указывает на равномерное распределение топлива по сечению камеры, на полноту и своевременность сгорания большей части топлива при положении поршня в в. м. т. Сочетание вихревого движения с подогревом воздуха после впуска благоприятно отражается на работе двигателя. Горячие поверхности камеры сгорания сокращают период задержки самовоспламенения. Температура чугунного поршня выше температуры поршня из алюминиевого сплава вследствие меньшей теплопроводности чугуна, что способствует уменьшению периода задержки самовоспламенения. В случае работы двигателя с чугунным поршнем процесс сгорания развивается более плавно.
43
Мелкость распыливания заметно влияет на время сгорания поскольку мелкие капли топлива, перемешиваясь с воздухом, равномерно распределяются по объему камеры сгорания и образуют более однородную смесь. Одной из причин увеличения угла опережения впрыска у двигателей с неразделенными камерами сгорания по сравнение с двигателями других конструкций являются образование неоднородной смеси по объему. Мелкое распыливание скорее приводит к гомогенной реакции топлива с воздухом, так как скорость испарения топлива при данном давлении и температуре зависит, главным образом, от размеров капли и ее скорости относительно воздуха. Мелкораспыленное топливо менее склонно к нагарообразованию. Давление распыливания практически не влияет на период запаздывания самовоспламенения, но мелкость распиливания связана с давлением распиливания. Продолжительность впрыска топлива сильно сказывается на процессе сгорания. Изменяя продолжительность впрыска, можно получить разные показатели при одной и той же подаче топлива. Продолжительность подачи определяется по углу поворота коленчатого вала. и зависит от профиля кулачка топливного насоса, диаметра плунжера, длины и диаметра топливного трубопровода, конструкции и регулировки форсунки. На рисунке представлены две индикаторные диаграммы двигателя при постоянном числе оборотов, постоянной подаче топлива на цикл, но с разной продолжительностью впрыска. Продолжительность впрыска, а равно количество впрыскиваемого топлива не влияют на период запаздывания самовоспламенения, поэтому период запаздывания самовоспламенения τ s , для первого и второго случаев впрыска остается постоянным, количество же топлива, вступающего в реакцию сгорания по углу поворота коленчатого вала, различно. Работе двигателя с растянутым впрыском соответствует нижняя кривая подачи 1. Работе с сокращенным впрыском соответствует верхняя кривая подачи 2; в этом случае поступает большее количество топлива. Сокращение продолжительности впрыска при одной и той же подаче топлива уменьшает величину наивыгоднейшего угла опережения впрыска. При изменении подачи топлива на цикл приходится изменять угол опережения впрыска.
44
В транспортном дизеле изменение мощности по нагрузке осуществляется путем изменения подачи топлива на цикл. Вследствие этого изменяется соотношение между поданным в цилиндр количеством топлива и количеством находящегося там воздуха, что приводит к изменению коэффициента избытка воздуха а. Таким образом представляет практический интерес рассмотрение влияния а на мощность, экономичность и тепловое состояние двигателя. Влияние а на мощность и экономичность. Работа действительного цикла определяется количеством теплоты, эффективно использованной за время нарастания давления и последующего расширения. Продолжительность сгорания определяется временем полного превращения топлива в конечные продукты сгорания и находится в зависимости от коэффициента избытка воздуха; соответственно скорость сгорания также зависит от а. К моменту, соответствующему максимальному давлению сгорает часть впрыснутого топлива, которая определяет скорость нарастания давления и фактически полноту индикаторной диаграммы. Изменение подачи топлива равносильно изменению коэффициента избытка воздуха, так как количество поступающего воздуха остается постоянным.
Совершенство рабочего процесса характеризуется индикаторным к. п. д., величина которого может изменяться в результате изменения скорости сгорания, полноты сгорания и тепловых потерь. С повышением а индикаторный к. п. д. с увеличивается. С изменением подачи на цикл изменяется и количество теплоты, выделяемое во время сгорания. Следовательно, тепловое состояние двигателя также меняется с изменением а. О тепловом режиме двигателя можно судить по температуре отработавших газов. Таким образом, при увеличении а приходится увеличивать угол опережения впрыска или уменьшать продолжительность подачи, чтобы обеспечить своевременность сгорания и получить более эффективную работу двигателя.
45
ВЛИЯНИЕ НАГРУЗКИ, ЧИСЛА ОБОРОТОВ, ИНТЕНСИВНОСТИ ОХЛАЖДЕНИЯ
Влияние нагрузки. Изменение режима работы двигателя происходит по мере изменения подачи топлива. С увеличением подачи топлива на общее количество выделяемой теплоты возрастает, детали камеры сгорания становятся более горячими. Условия подготовки топлива к воспламенению улучшаются, период запаздывания самовоспламенения сокращается. Чем больше рабочий объем цилиндра, тем меньше период запаздывания самовоспламенения, что объясняется повышенной температурой деталей двигателя.
Влияние числа оборотов. Период запаздывания самовоспламенения в градусах угла поворота коленчатого вала с увеличением числа оборотов двигателя увеличивается. Работа двигателя становится более жесткой, поскольку скорость нарастания давления повышается, хотя период запаздывания самовоспламенения по времени и сокращается. Заметное влияние здесь оказывает вихревое движение воздуха, улучшающее распределение топлива по объему камеры сгорания.
Тепловое состояние двигателя и в особенности деталей камеры сгорания зависит не только от режима работы, но и от температуры охлаждающей воды или воздуха. При повышении температуры охлаждающей воды с 65 до 150 градусов процесс сгорания развивается более плавно, работа двигателя становится мягче. В целях улучшения сгорания на частичных нагрузках в предусмотрена установка термостата, который поддерживает температуру охлаждающей воды на одном и том же уровне при изменении как нагрузки, так и числа оборотов. Установка термостата на двигатель повышает срок службы двигателя.
46
Эффективная мощность и потери в двигателе.
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.
2) мощность, затрачиваемая на преодоление трения между движущимися деталями и воздухом.
3) мощность, затрачиваемая на приведение в действие ряда вспомогательных устройств двигателя, как-то: водяная и масляная помпы, вентилятор и т. п.
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.) механический к. п. д. ηm ηm = Ne/ Ni . В случае уменьшения нагрузки двигателя, уменьшением количества впрыскиваемого в цилиндр топлива, механический к. п. д. уменьшается. 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 Pт и аналогично Pe или Pi выражается через соответствующую мощность Nт. Рт=225*τ* Nт/ Vh*n, кг/см2.
для карбюраторных двигателей Рт≈0,35+0,115 Cm, кг/см2,
а для дизелей Рт≈0,90+0,15 Cm, кг/см2,
47
Эффективный удельный расход топлива. 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:
EMBED Equation.3 ηV – объёмный КПД, а – коэф. избыт. иоздуха
Эффективный КПД.
EMBED Equation.3 ; EMBED Equation.3 hu – тепловая способность топлива. ηе = ηI ⋅ ηm
48
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.
EMBED Equation.3 EMBED Equation.3 ; Ре = Р⋅ηm 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.
49
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. 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.)
EMBED Equation.3
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);
Qocm—так называемый остаточный член баланса, равный сумме всех других потерь теплоты, не вошедших в первые четыре члена его правой части.
50
Основные составляющие внешнего теплового баланса.
EMBED Equation.3
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);
Qocm—так называемый остаточный член баланса, равный сумме всех других потерь теплоты, не вошедших в первые четыре члена его правой части.
Qe=632Ne.; Q0 – определяется опытным путём. Qв=М2 Gт Ср’’(Тв-Т0); QH = Δ hu • GT;
Qocm = Q - (Qе+ Qo + Qв + QH)
51
Схема распределения теплоты в двигателе.
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.
52
Силовые и термические нагрузки на детали двигателя.
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.
53
54
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.
EMBED Equation.3
где Vh — рабочий объем цилиндра двигателя в м3;
γв —удельный вес воздуха перед цилиндром в кг/м3
τ — число тактов двигателя.
увеличение мощности только в крайнем случае можно осуществят увеличение объёма двигателя, т.к. это приведёт к увеличению габаритов и веса. Литровая мощность определяется как отношение эффективной мощности-двигателя к его литражу, т. е. EMBED Equation.3
55
Влияние увеличения кол-ва воздуха и числа цилиндров на мощность.
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: EMBED Equation.3
где Vh — рабочий объем цилиндра двигателя в м3;
γв —удельный вес воздуха перед цилиндром в кг/м3
τ — число тактов двигателя.
Повышение эффективной мощности за счет увеличения числа цилиндров или увеличения их диаметра неизбежно приводит к увеличению веса и габаритных размеров двигателя.
EMBED Equation.3
Из приведенного уравнения следует, что литровая мощность прямо пропорциональна:
1) весовому количеству воздуха поступающего в рабочий объем.
степени совершенства процесса, оцениваемой отношением ηi/а.
отношению Hu/L0 — теплотворной способности топлива к теоретически необходимому количеству.
механическому к. п. д. (ηm).
56
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. 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. Таким образом, прежде чем окончательно выбрать число оборотов двигателя, следует проверить надежность подшипников вала и запасы прочности других деталей.
57
Влияние плотности воздуха на повышение мощности.
Одним из методов 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 компрессорами. 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. 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 и охлаждаются стенки камеры сгорания. 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
58
Влияние числа тактов на повышение мощности.
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.;
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.