ИНДИКАТОРНЫЕ И ЭФФЕКТИВНЫЕ ПОКАЗАТЕЛИ

метки: Индикаторный, Мощность, Потеря, Показатель, Искровой, Опережение, Нагрузка, Значение

1. Индикаторные показатели. Влияние различных факторов на индикаторные показатели двигателя с искровым зажиганием и дизеля.

2. Механические потери в двигателе

3. Эффективные показатели двигателя.

4. Тепловой баланс двигателя.

1. Индикаторные показатели. Влияние различных факторов на индикаторные показатели двигателя с искровым зажиганием и дизеля.

Индикаторные показатели двигателя характеризуют работу, которая совершается газами в цилиндре двигателя. Они зависят от полноты и своевременности сгорания, а также от тепловых по­терь в систему охлаждения и с отработавшими газами.

Влияние различных факторов на индикаторные показатели дви­гателя с искровым зажиганием., Степень сжатия, Размеры цилиндра, Состав смеси

Pис. 6.1. Зависимости индикаторного КПД от коэффициента избытка воздуха для двигателя с искровым зажиганием (a) и дизеля (б)

Максимум η _i достигается при обедненных смесях (α = 1,05…1,1), что обусловлено улучшением полноты сгорания и ростом доли в продуктах сгорания двухатомных газов. При этом получается оп­тимальное сочетание полноты и скорости сгорания с теплоотводом в стенки. Дальнейшее обеднение смеси приводит к существен­ному снижению скорости ее сгорания и к возникновению про­пусков воспламенения. По этой причине сгорание будет заканчи­ваться позже, а отвод теплоты в стенки увеличится.

Максимальное значение p _i достигается при несколько обога­щенных смесях, при которых сгорание происходит с максималь­ной скоростью.

При полностью открытой дроссельной заслонке η _i достигает максимума при α= 1,1 … 1.3, а p_i — при α = 0,85… 0,95.

Угол опережения зажигания

При φ _о.з. >φ_{о.з. опт} (раннее зажигание) интенсивно увеличива­ются максимальная температура Т_z и давление цикла р_z . Это вызы­вает повышенные тепловые потери в систему охлаждения, а так­же утечки газов через поршневые кольца.

При φ _о.з. <φ_{о.з. опт} (позднее зажигание) сгорание переносится на линию расширения и выделившаяся теплота превращается в работу в течение меньшей части хода поршня, а тепловые по­тери с отработавшими газами и в систему охлаждения возрас­тают.

Частота вращения

Рис. 6.2. Зависимости индикаторных показателей от частоты вращения коленчатого вала (а) и нагрузки (б): 1 — двигатель с искровым зажиганием; 2 — дизель

Судовые двигатели внутреннего сгорания (2)

... двигателей внутреннего сгорания, а также приобрести навыки в анализе его работы и устройства. Исходя из цели курсового проекта, сформируем задачи: Определить основные параметры рабочего процесса двигателя; Построить индикаторную ... числе учебники, методическое пособие, а так же по ссылкам в интернете. Глава І. Классификация двигателей внутреннего сгорания По назначению. В зависимости от назначения в ...

Нагрузка двигателя

Кроме того возрастают относительные тепловые потери в систему охлаждения и с отработавшими газами. Для компенсации умень­шения скорости сгорания увеличивают угол опережения зажигания. Эту операцию выполняет вакуум-регулятор или микропро­цессорная система управления.

В зависимости от нагрузки система питания двигателя форми­рует состав смеси. На средних нагрузках η _i достигает наибольшего значения при α_эк = 1,1… 1,3. Максимум p_i получают при полностью открытой дроссельной заслонке при α_м = 0,8…0,95. По мере при­крытия заслонки количество свежей смеси уменьшается (количе­ственное регулирование нагрузки) и p_i , снижается.

Скорость движения заряда, Влияние различных факторов на индикаторные показатели дизеля.

Топливо в зависимости от испаряемости и воспламеняемости оказывает влияние на процессы впрыскивания и распыливания и, следовательно, на индикаторные показатели дизеля. При увеличении в топливе доли легких фракций (цетановое число при этом уменьшается) индикаторные показатели в зависимости от способа смесеобразования могут или ухудшаться, или улучшаться. При этом повышается надежность пуска, а на рабочих режимах увеличивается период задержки воспламенения и скорость тепло­выделения во второй фазе быстрого сгорания, что вызывает рост скорости нарастания давления и максимального давления сгора­ния, особенно при объемном смесеобразовании.

При подаче в цилиндры мелкодисперсного топлива с низким цетановым числом его смесь за длительный период задержки вос­пламенения может стать однородной и даже не воспламенится.

Состав смеси

Это обусловлено принципами организации в дизеле смесеобразования и сгорания неоднородной смеси.

Однако, дизель никогда не регулируется на получение макси­мума p _i из-за необходимости снижения дымности его отработав­ших газов и тепловой напряженности деталей.

При увеличении α до происходит рост η _i из-за уменьше­ния потерь неполноты и несвоевременности сгорания и увеличе­ние термодинамического КПД из-за увеличения доли двухатом­ных газов в заряде. При α > ухудшается распыливание топлива и повышается относительное количество теплоты, теряемой в ох­лаждающую среду.

Уменьшение потерь теплоты в систему охлаждения, Степень сжатия, Тип камеры сгорания

Однако разделенные камеры сгорания позволяют форсировать дизель по частоте вращения, так как требования к качеству смесе­образования для них ниже. Такой дизель может работать бездымно и с меньшей токсичностью отработавших газов при относительно малых значениях α.

Характеристики впрыскивания и распыливания

При малой скорости нарастания давления в начале впрыскива­ния обеспечивается «мягкая» работа дизеля.

При увеличении угла опережения впрыскивания, Скорость движения заряда, Увеличение частоты вращения

Угол опережения впрыскивания при повышении частоты враще­ния должен увеличиваться для компенсации возрастания продол­жительности впрыскивания и периода задержки воспламенения, выраженных в градусах ПКВ. Изменение φ _о.вп. в дизелях осуществ­ляется автоматическим устройством.

Двигатели внутреннего сгорания

... газы совершают полезную работу. Вследствие быстрого сгорания смеси в цилиндре двигателя внутреннего сгорания, резко повышается давление, ... быстроходного двигателя внутреннего сгорания. В 1885 г. Г.Даймлер (Германия) построил мотоцикл с бензиновым двигателем, а ... потерями значительным перепадом температур между источником теплоты и холодильником обеспечивает высокую экономичность этих двигателей. ...

Состав смеси при повышении частоты вращения определяется изменением скоростных характеристик топливоподачи, η _V , а для дизелей с наддувом — изменением плотности воздуха ρ_к . Для обес­печения требуемого характера изменения p_i , экономичной и без­дымной работы дизеля регулируют состав смеси.

Параметры окружающей среды

Работа дизелей с газотурбинным наддувом мало зависит от ат­мосферных условий.

2. Механические потери в двигателе

Механические (внутренние) потери, Потери на трение

Факторы, влияющие на уровень механических потерь: силы, нагружающие трущиеся подвижные сочленения двигателя; средние по времени значения сил инерции, действующих в под­вижных сопряжениях, определяют потери на трение; силы упругости поршневых колец не зависят от режима работы двигателя; они особенно велики при сгорании в области ВМТ, когда мала скорость движения кольца, что изменяет режим тре­ния и вызывает повышенный износ верхней части гильзы; тепловой режим двигателя влияет на вязкость смазочного мас­ла и, следовательно, на характер трения; частота вращения (при ее увеличении) вызывает рост сил инерции и относительных скоростей трущихся пар, повышает температуру и снижает вязкость масла, обусловливая увеличение потерь на зрение; нагрузка (при ее увеличении) приводит к росту газовых сил и повышению температуры двигателя, что вызывает снижение вяз­кости масла; однако потери на трение сравнительно мало зависят от нагрузки; эксплуатация двигателя — на начальной стадии жизненного цикла двигателя в процессе приработки деталей потери на трение постепенно снижаются, затем стабилизируются, а на завершаю­щей стадии растут.

Потери на газообмен

В высокооборотных двигателях с газотурбинным наддувом по­тери на газообмен могут составлять более 25% от механических потерь. Это обусловлено ростом работы выталкивания при уста­новке на выпуске газовой турбины.

Вентиляционные потери, Потери на привод

Практически на все рассмотренные составляющие механичес­ких потерь существенно влияет повышение частоты вращения п. Увеличение числа цилиндров или рабочего объема при сохране­нии отношения S/D ведет к снижению механических потерь.

3. Эффективные показатели двигателя

Эффективные показатели характеризуют работу двигателя, пе­редаваемую потребителю. К числу эффективных показателей от­носят эффективную мощность, эффективный крутящий момент, удельный эффективный расход топлива, эффективный КПД и среднее эффективное давление. Последнее определяется соотно­шением р _е = р_i

• η_м .

Эффективные показатели двигателя формируются при совмест­ном воздействии на них индикаторных и механических показателей.

Рассмотрим влияние различных факторов на эффективные по­казатели двигателя.

Среднее давление механических потерь

1) выбор оптимальных температурных параметров системы охлаждения и их поддержание в эксплуатации на всех режимах работы двигателя;

2) формирование рациональной конструкции двигателя и его агрегатов, включающее: использование минимального количества поршневых колец; обеспечение при проектировании и производстве требуемых жесткости и формы, а также качества поверхностей деталей тру­щихся пар; обеспечение надежного жидкостного трения трущихся пар за счет согласования соответствующих параметров системы смазы­вания, трущихся пар и смазочного масла; оптимизация производительности в зависимости от режима работы двигателя, его вспомогательных механизмов и агрегатов (жидкостного и масляного насосов, вентилятора и т.п.); выбор конструкции, размеров впускной и выпускной систем для минимизации потерь на газообмен, а также обеспечение в эксплуатации неизменного их сопротивления;

3) выбор современных материалов и технологий изготовления деталей для улучшения смазывания трущихся пар в целях повы­шения долговечности и снижения потерь на трение;

4) подбор качественного смазочного материала, который при минимально возможной вязкости, жидкостном трении и прием­лемом угаре обеспечивает надежную работу двигателя в течение длительного срока службы;

5) оптимизация типа, размеров, частоты вращения и характе­ристик компрессора под заданные расход газа и степень повышения давления во всем диапазоне режимов работы двигателя путем регулирования, например, на малых нагрузках — перепуская часть воздуха или изменяя частоту вращения компрессора;

6) переход в дизелях от разделенных к неразделенным (однополостным) камерам сгорания для исключения газодинамичес­ких потерь на перетекание заряда.

Механический КПД

При снижении нагрузки уменьшается η _м , так как при этом p_i падает, а p_м изменяется мало.

Более интенсивно η _м снижается в двигателях с искровым зажиганием, что обусловлено увеличением потерь на газообмен при прикрытии дроссельной заслонки. На холостом ходу р_е = 0, т.е. p_i = p_м и, следовательно, η_м = 0.

С повышением частоты вращения з _м уменьшается из-за более интенсивного роста p_м при небольшом изменении p_i .

Рис. 6.3. Зависимости индикаторных, эффективных и механических показателей двигателя от частоты вращения коленчатого вала.

На рис. 6.3 представлено изменение основных индикаторных и эффективных показателей двигателей в зависимости от частоты вращения. Значения индикаторных и эффективных показателей автотракторных четырехтактных двигателей для номинального режима приведены в табл. 6.1.

Литровая мощность современных двигателей легковых автомобилей для двигателей с искровым за­жиганием приближается к 65 кВт/л, а для дизелей с наддувом — к 40 кВт/л.

Т а б л и ц а 6.1

Значения индикаторных и эффективных показателей

Показатель	ДВС с искровым зажиганием	Дизели без наддува	Дизели с наддувом
p i , МПа	0,9… 1,2	0,75… 1,05	До 2,5
η i	0,3…0,4	0,42…0,5	0.42…0,5
g i , г/(кВт ч)	273…205	202.:. 170	202… 170
р е , МПа	0,75…0,85	0,65…0,8	до 2,0
η м	0,75…0,85	0,7…0,8	0,78…0,88
η e	0,25…0,35	0,36…0,42	0,38…0,45
g e , г/(кВт ч)	327…234	235…202	223… 188
N Л , кВт/л	20…50	12…20	16…28

4. Тепловой баланс двигателя

Распределение теплоты, вводимой в двигатель с топливом, на по­лезно используемую и уходящую на различные потери, называется внешним тепловым балансом. Внешний тепловой баланс определяет­ся опытным путем и выражается в абсолютных или относительных величинах его составляющих.

В абсолютных величинах уравнение теплового баланса имеет следу­ющий вид

где: Q – общее количество теплоты, введенное в двигатель с топли­вом за определенный отрезок времени; Q _е – количество теплоты, перешедшее в эффективную работу; Q _охл – количество теплоты, передаваемое охлаждающей жидкости; Q _м – количество теплоты, передаваемое в смазочный материал; Q _газ – потери теплоты в отра­ботавших газах; Q _нс – потери теплоты вследствие неполноты сгора­ния топлива; Q _ост – остаточные потери теплоты, не учтенные оста­льными составляющими теплового баланса.

Общее количество теплоты Q определяется по низшей тепло­творной способности топлива Н _и и его часовому расходу G _т : .

Количество полезно используемой теплоты, эквивалентное эффективной работе двигателя за 1 ч, определяется по формуле .

Потери теплоты в охлаждающей жидкости определяются формуле

Где: с _охл – теплоемкость охлаждающей жидкости; G _охл – расход охлаждающей жидкости; t_вых и t_вх – температуры охлаждающей кости на выходе и входе системы охлаждения соответственно.

Потери теплоты в смазочном материале определяются при наличии на двигателе масляного радиатора, в противном случае Q _м включают в остаточные потери теплоты. Потери в смазочном материале определяются аналогично Q _охл .

Потери теплоты в отработавших газах определяются по формуле, предположив, что количество газов G _газ равно сумме количеств поступившего воздуха G_в и топлива G _T : ,

с _р –

Потери вследствие неполноты сгорания топлива определяя только для карбюраторного двигателя при коэффициенте избытка воздуха а < 1 :

Q _нс = 120(1-α)l ₀ G _т .

Остаточные потери теплоты определяют следующим образом:

На величину Q _ост влияют погрешности при определении соcтавляющих теплового баланса. Кроме того, к остаточным потерям теплоты относят: теплоту, передаваемую наружной поверхностью двигателя; теплоту, соответствующую кинетической энергии отработавших газов; теплоту лучеиспускания; теплоту, эквивалентную работе трения.

Теплоту Q _охл и Q _м используют при расчете систем оxлаждения смазочного материала и наддува.

По величине Q _нс можно судить о степени неполноты сгорания и определить пути повышения теплоиспользования.

Количество теплоты по составляющим теплового баланса под­считывают в кДж за единицу времени. Однако наиболее распро­странено составление теплового баланса в относительных величи­нах, где каждая составляющая выражена в процентах к введенному количеству теплоты с топливом. В этом случае уравнение теплового баланса имеет вид: ,

q _е =(Q_е /Q)

В табл. 6.2 приведены средние значения составляющих теплово­го баланса. Данные таблицы свидетельствуют, что основные тепло­вые потери – это потери в охлаждающей жидкости и в отработав­ших газах.

Таблица 6.2. Процентное соотношение составляющих теплового баланса, %

Двигатель	q е	q охл	q газ	q нс	q ост
Карбюраторный	20-48	13-27	35-50	0-45	3-8
Дизель: Без наддува С наддувом	30-43 35-45	17-35 12-25	25-45 25-40	0-5 0-5	2-5 2-5

Одним из способов использования тепловых потерь является применение турбонаддува, где нагнетатель приводится в действие за счет энергии отработавших газов.

Влияние различных факторов на тепловой баланс двигателя

На распределение теплоты в двигателе оказывают влияние такие факторы как частота вращения коленчатого вала, нагрузка, состав смеси, угол опережения зажигания.

Частота вращения коленчатого вала., Рис. 6.4. Влияние частоты вращения коленчатого вала на составляющие теплового баланса:

С увеличением частоты вращения коленчатого вала величин q _охл уменьшается, так как время на теплоотдачу в систему охлаждения сокращается.

Значения q _е достигают максимума при частоте вращения коленчатого вала, соответствующей минимальному удельному расходу топлива.

Величина q _г увеличивается с ростом частоты вращения коленчатого вала, так как при этом растет температура отработавших газ и недогорание топлива.

Потери на неполноту сгорания q _нс остаются почти постоянными, что объясняется примерно одинаковым составом смеси по всему диапазону частоты вращения коленчатого вала.

Нагрузка. С

Наибольшие потери теплоты в охлаждающую среду наблюдаются на холостом ходу, так как на этом режиме вся выделенная теплота идет на совершение работы по преодолению сил трения в двигателе и нагрев окружающей среды. С увеличением нагрузки возрастает и q _г в связи с ростом температуры и теплосодержания отработавших газов.

Потеря теплоты вследствие неполноты сгорания топлива имеет место при малых нагрузках, когда включается система холостого хода карбюратора, а также на пол­ых и близких к ним нагрузках, когда происходит обогащение смеси экономайзером.

а) б)

Рис. 6.5. Влияние нагрузки на составляющие теплового баланса:, Рис. 6.6. Влияние угла опережения зажигания на составляющие теплового баланса двигателя, Угол опережения зажигания., Состав горючей смеси.

Кроме того, при α >1 растают значения q _г из-за роста тепловых потерь с излишним воздухом, участвующим в сгорании.

Рис. 6.7. Влияние состава смеси на составляющие теплового баланса:

а – изменение абсолютных значений; б – изменение относительных величин

Контрольные вопросы.

1. Что характеризуют индикаторные, механические и эффективные показатели двигателя?

2. Как изменяются индикаторные и механические показатели по нагрузочной характеристике дизеля?

3. Как изменяются индикаторные и механические показатели по нагрузочной характеристике двигателя с искровым зажиганием?

4. Как изменяются индикаторные и механические показатели по скоростной характеристике двигателя?

5. Как и почему изменяться индикаторные и механические показатели двигателя в процессе его эксплуатации?