Заняття 17. Основні показники роботи двигуна

1. Розглянути показники робочого циклу та двигуна та методикою їх дослідження.

2. Ознайомитись із факторами, котрі впливають на показники робочого циклу.

3. Виховувати у студентів здатність до творчого мислення, прагнення до володіння знаннями, почуття відповідальності за знання теорії і матеріальної частини автомобіля та гордість за обраний фах.

1. Джерелами визначення індикаторних показників двигуна є індикато­рна діаграма (розрахункова або експериментальна) і циклова подача пали­ва. При експериментальних дослідженнях циклова подача визначається прямими вимірами, а при моделюванні робочих процесів - за величиною свіжого заряду надпоршневої порожнини і коефіцієнтом надлишку повіт­ря. Основними індикаторними показниками є індикаторна робота газів за цикл, індикаторна потужність, індикаторний коефіцієнт корисної дії.

Індикаторна робота газів за цикл за індикаторними діаграмами ви­значається як різниця роботи розширення L _р і роботи стиску L _ст:

За експериментальними індикаторними діаграмами робота розширення і стиску визначається звичайно як сума елементарних робіт, що відповідають кутові оберту кривошипа в межах 5-10 °ОКВ. Індикаторна робота газів за цикл в Дж за розрахунковими індикаторними діаграмами визначається за параметрами робочого тіла у вузлових точках діаграми:

- двигун з іскровим запалюванням (індикаторна діаграма подана на рис. 10.15):

- двигун із запалюванням від стиску (індикаторна діаграма подана на рис. 11.17):

Тут n _с і n _р - середні значення показників політропи стиску і розширення, що відповідають параметрам робочого тіла в точках v, c, z і e розрахункових індикаторних діаграм (рис. 10.15, 11.17):

Значення параметрів в умовних точках a і b розрахункових індикаторних діаграм визначаються в припущенні, що політропи стиску v-c і розширення z-e продовжені до НМТ, тобто

або

Внаслідок наближеного подання на розрахункових індикаторних діа­грамах процесів у надпоршневій порожнині індикаторна робота газів, ви­значена за цими діаграмами, відрізняється від експериментальних даних. Ця відмінність враховується коефіцієнтом повноти діаграми у = 0,95-0,98.

Якщо індикаторну роботу газів за цикл визначати через параметри розрахункових індикаторних діаграм, то у випадку двигуна з іскровим за­палюванням

у випадку дизеля

Визначивши індикаторну роботу газів за цикл, визначаємо:

• питому індикаторну роботу, Дж/м, Дж/см, і середній індикатор­ний тиск, Па, МПа:

• індикаторну потужність, кВт:

• індикаторний ККД:

• питому індикаторну витрату палива, кг/(кВт-год):

Тут к - число робочих циклів за 1с, В _ц - циклова подача палива, Q _н - нижча теплота згоряння палива.

Індикаторні показники двигунів залежать від тактності, способу сумішоутворення і запалювання, наддуву, виду палива, умов навколишнього середовища і змінюються в широких межах (табл. 12.1). Використання наддуву дозволяє значно підвищити питому індикаторну роботу l _i (середній індикаторний тиск р_i). Індикаторний ККД при цьому змінюється значно менше.

Таблиця 12.1 - Індикаторні показники різних двигунів, працюючих на паливах з нафти

При використанні газового палива (природного газу, зрідженого га­зу, біогазу) питома індикаторна витрата палива оцінюється в нм³/(кВт-год). Питома індикаторна робота (середній індикаторний тиск), індикаторна потужність при переході двигуна на газове паливо знижуються на 10-20 % внаслідок збільшення об'ємної частки газового палива в суміші газу і повітря.

Вплив різних факторів на індикаторну роботу газів за цикл можна оцінити за залежністю (12.14):

• у випадку двигуна з зовнішнім сумішоутворенням і іскровим запа­люванням

• у випадку двигуна з внутрішнім сумішоутворенням, наприклад, дизеля

Таким чином, основними факторами впливу на індикаторну роботу газів за цикл є:

- коефіцієнт наповнення , що характеризує ступінь досконалості процесів газообміну;

- густина повітря (паливоповітряної суміші) перед впускними клапанами, що залежить у двигунах з наддувом від тиску наддуву р _K і температури повітря після повітроохолоджувача Т _S;

- робочий об'єм циліндра (діаметр циліндра D і хід поршня S);

- коефіцієнт надлишку повітря ;

- нижча теплота згоряння палива Q _н;

- індикаторний ККД, що характеризує ступінь досконалості проце­сів сумішоутворення і згоряння.

Деякий вплив на індикаторну роботу газів за цикл мають і характеристики палива (Q _H, М ₀).

Індикаторний ККД двигуна в свою чергу також визначається рядом факторів:

- ККД термодинамічного циклу , що залежить у загальному ви­падку від відношення ступеня розширення робочого тіла до ступеня стиску і ступеня підвищення тиску .

- властивостями робочого тіла (складу, теплоємності), що характе­ризується відносним коефіцієнтом ;

- повнотою згоряння палива й ефективністю використання теплоти згоряння палива, що характеризуються коефіцієнтом ефективного виділення теплоти або відносним коефіцієнтом ;

- втратами теплоти від газів у стінки W e на ділянці розширення ро­бочого тіла або відносним коефіцієнтом .

Неточності подання реальних процесів у надпоршневій порожнині в схематизованих циклах, в яких послідовно враховуються властивості робочого тіла, повнота згоряння й ефективність використання теплоти палива, втрати теплоти від робочого тіла в стінки надпоршевої порожнини враховуються відносним коефіцієнтом повноти розрахункової індикаторної діаграми . Таким чином, індикаторний ККД двигуна може бути поданий як добуток термічного ККД циклу на ряд відносних коефіцієнтів (відносних ККД):

Значення відносних ККД визначають шляхом послідовного переходу спочатку від термодинамічного циклу з ідеальним робочим тілом () до циклу з реальним робочим тілом (, , We = 0), потім без теплообміну зі стінками надпоршневої порожнини (, We = 0) і, нарешті, до дійсного циклу (, ,

We > 0). Приклади послідовного переходу від термодинамічного циклу до дійсного для двигуна з іскровим запалюванням і різних чотиритактних дизелів подані на рис. 12.1, 12.2 і 12.3.

Як у двигуні з іскровим запалюванням і зовнішнім сумішоутворенням, так і в дизелях відмінність властивостей реального робочого тіла від ідеального газу знижує ККД циклу на 12-13 %. Неповнота згоряння палива (в двигуні з іскровим запалюванням а < 1) і зміщення підведення теплоти згоряння палива від ВМТ на лінію розширення знижує ефективність перетворення теплоти в механічну роботу газів, ККД циклу зменшується ще на 11-13 % (рис. 12.1). У дизелях (а > 1) вплив ефективності перетворення теплоти, підведеної до робочого тіла, в механічну роботу газів на ККД циклу не перевищує 11 %, і чим вище а, тим менше цей вплив (рис. 12.2, 12.3). Втрати частки підведеної теплоти до робочого тіла в стінки надпоршневої порожнини знижує ККД циклу і в двигуні з іскровим запалюванням і в дизелі – на 10-11 % (рис. 12.1, 12.2, 12.3). Можливості впливу на властивості робочого тіла, теплообмін між робочим тілом і стінками надпоршневої порожнини вкрай обмежені. Тому основні резерви підвищення ККД дійсного циклу будуть визначатися й у віддаленій перспективі можливістю підвищення ККД термодинамічного циклу, наприклад, використанням в двигунах з іскровим запалюванням циклу з продовженим розширенням (ε_д<10, δ_р>15) і вдосконалюванням процесів сумішоутворення і згоряння.

2.

Індикаторна робота газів за цикл або за 1 с (індикаторна потужність) не може бути цілком використана на вихідному валу для виконання корис­ної роботи (для привода різних пристроїв, агрегатованих із двигуном, пе­реміщення транспортних засобів і т.ін.). Частину індикаторної роботи газів необхідно використати на власні витрати двигуна:

- на подолання сил тертя в рухливих сполученнях двигуна - L _тер;

- на привід допоміжних агрегатів – L _доп (водяного насоса, масляно­го насоса, паливного насоса, механізму газорозподілу, генератора і т. п.);

- на подолання аеродинамічного опору повітря обертанню або переміщенню деталей двигуна – L _аер (колінчатого вала, маховика, шатунів і т.д.);

- на здійснення в чотиритактному двигуні процесів газообміну – L _нв (насосні втрати - втрати на видалення з надпоршневої порожнини продуктів згоряння і створення в ній розрідження для її заповнення свіжим зарядом);

- на привід нагнітача – L _н (в двигуні з механічним приводом нагнітача).

Як і індикаторну роботу газів за цикл складові витрат індикаторної роботи на власні витрати за цикл варто подавати в джоулях.

Суму втрат індикаторної роботи газів за цикл на подолання тертя в рухливих сполученнях, привід допоміжних агрегатів, подолання аеродинамічного опору обертанню або переміщенню деталей двигуна прийнято називати механічними втратами в двигуні за цикл:

В сумарних механічних втратах індикаторної роботи газів за цикл (без насосних втрат) на частку втрат в поршневій групі (поршень-циліндр, поршневі кільця - циліндр) припадає 60-70 %, на тертя в підшипниках - 1-5 %, на привід допоміжних агрегатів, включаючи і механізм газорозподілу – 25-35 %, на подолання аеродинамічного опору повітря рухові деталей - 1-2 %.

Механічні втрати в механізмах двигуна, як і потужність механічних втрат (Nмд = к L_мд), за абсолютною величиною залежать від діаметра циліндра В, ходу поршня частоти обертання колінчатого вала п, способу організації робочих процесів і ряду інших факторів, тобто вони не можуть характеризувати ступінь досконалості конструкції різних двигунів за рівнем механічних втрат. Більш універсальними показниками, що характеризують ступінь досконалості конструкції двигуна за рівнем механічних втрат, є питома робота механічних втрат l _мд, Дж/см, або середній тиск механічних втрат p _мд, МПа:

Ці показники практично не залежать від діаметра циліндра і ходу поршня.

Внаслідок великої кількості факторів, що впливають на механічні втрати, значення l _мд (p _мд) для проектованого двигуна приймають за експе­риментальними даними для двигуна-прототипу. Можливі межі зміни l _мд (p _мд) для різних типів двигунів на режимах номінальної потужності подані у табл. 2.2. У двотактних двигунах, робочий цикл у яких здійснюється протягом двох тактів (одного оберту колінчатого вала), питома робота механічних втрат і середній тиск механічних втрат приблизно в 1,5-2 рази менші, ніж у чотиритактних, але потужність механічних втрат змінюється незначно (якщо порівнювати двотактний і чотиритактний двигуни з однаковим літражем).

Таблиця 12.2 - Питома робота механічних втрат двигунів на режимах номінальної потужності в двигунах різних типів

У конкретному двигуні визначальним фактором зміни p _мд (l _мд) є частота обертання колінчатого вала (рис. 12.4). Зміна навантаження в двигунах без наддуву від режиму холостого ходу до максимального навантаження при незмінних частоті обертання колінчатого вала і тепловому режимі двигуна незначно вплив При конвертації карбюраторного двигуна на вихорокамерний варіант питомі механічні втрати внаслідок гідравлічних втрат на перетікання робочого тіла з надпоршневої порожнини в додаткову камеру згоряння і навпаки, втрат індикаторної роботи на привід паливного насоса, збільшення втрат на тертя в поршневій групі зростають на 0,04-0,06 Дж/цикл (рис. 12.4). Зі зменшенням ходу поршня (відношення S/D) при інших рівних умовах питомі втрати індикаторної роботи на тертя в поршневій групі практично не змінюються, тому що ці втрати, як і робочий об'єм циліндра Vh, пропорційні ходу поршня 8. Інші складові механічних втрат (втрати на привід допомі-жних механізмів, на тертя в підшипниках, на аеродинамічний опір рухові деталей) зберігаються за абсолютною величиною практично постійними, але питомі значення цих складових зростають приблизно обернено пропорційно зменшенню ходу поршня. Наприклад, при незмінній частоті обертання колінчатого вала зменшення ходу поршня в одноциліндровому чо-тиритактному дизелі з нерозділеною камерою згоряння (S/D = 140/125, ε = = 16) з 140 до 90 мм [1] і в чотирициліндровому чотиритактному карбюра-торному двигуні (S/D = 80/76, ε = 8,5) - з 80 до 49,5 мм [2] практично не вплинуло на значення питомої роботи механічних втрат у поршневій групі. Інші складові питомих механічних втрат при цьому зросли внаслідок зменшення робочого об'єму циліндра.

За експериментальними даними для різних типів чотиритактних двигунів [1, 2, 3] залежність середнього тиску механічних втрат, МПа, (питомої роботи механічних втрат за цикл, Дж/цикл, для режимів номінальної потужності може бути подана рівнянням:

де a, b – постійні коефіцієнти для визначеного типу двигуна:

для двигунів з іскровим запалюванням з частотою обертання колінчатого вала 4000-6000 об/хв α≅0,08;b≅0,15,n_н=5000 об/хв;

для дизелів легкових автомобілів з частотою обертання колінчатого вала 4000 - 5000 об/хв α≅0,10;b≅0,15,n_н=4000 об/хв;

для автотракторних дизелів з нерозділеною камерою згоряння і частотою обертання колінчатого вала 1500 - 3000 об/хв α≅0,06;b≅0,15,n_н=2000 об/хв; (для автотракторних дизелів з розділеною камерою згоряння а = 0,08);

для дизелів з частотою обертання колінчатого вала 500 - 1500 об/хв α≅0,08;b≅0,15,n_н=1000 об/хв.

Ці залежності можуть бути використані при виконанні курсових і дипломних проектів для попередньої оцінки рівня значень середнього тиску механічних втрат. Потім отримані значення рмд уточнюються за даними експериментальних досліджень двигунів-прототипів, що були поставлені на виробництво, оскільки розвиток двигунобудування характеризується безперервним удосконалюванням конструкції деталей і двигунів у цілому, технології їхнього виробництва, використанням нових матеріалів, покриттів, мастил і т.д.ає на питомі механічні втрати (до 10 %), у двигунах з високим наддуванням - до 15 %.

3.

До ефективних показників двигуна відносяться:

- ефективна робота на вихідному валу двигуна за цикл, Дж/цикл:

- питома ефективна робота на вихідному валу двигуна (ефективна робота на вихідному валу двигуна, Дж, віднесена до 1 см робочого об 'єму)

або середній ефективний тиск в МПа:

- ефективна потужність, що розвиває двигун на вихідному валу в

кВт:

де - кількість робочих циклів у циліндрах двигуна за 1 с; 60 х

( - коефіцієнт тактності (для двотактних двигунів = 1, для чотиритактних - 2);

- ефективний ККД (відносна частка теплоти палива, що перетворена в корисну роботу):

де В_ц, В_г - подача палива за цикл і часова витрата палива;

g_е = В_г/N_е - питома ефективна витрата палива, кг/(кВт-год).

Важливим показником, що характеризує ефективність перетворення індикаторної роботи газів у циліндрах двигуна в роботу на валу двигуна, є механічний ККД двигуна:

Де середній тиск механічних втрат на привід нагнітача,

Поршнева потужність - це ефективна потужність, що припадає на 1 м² поверхні днища поршня, кВт/м²:

де -площа днища поршня, м²; S - хід поршня, м; і - кількість циліндрів.

Підставивши у (4.101) вираз для середньої швидкості поршня, маємо

Із цього рівняння видно, що залежить від середнього ефективного тиску і швидкохідності двигуна.

У сучасних автомобільних двигунів складає: двигуни з іскровим запалюванням - 0,25...0,45; дизелі - 0,20...0,35 кВт/м².

Літрова маса - це маса незаправленого (сухого) двигуна Gдвз, віднесена до одиниці робочого об'єму циліндра, кг/л:

Цей питомий показник характеризує досконалість конструкції, раціональність вибору матеріалу і технології виготовлення двигуна і безпосередньо пов'язаний із його собівартістю. Літрова маса дизелів більша, ніж літрова маса двигунів з іскровим запалюванням однакового з ними літражу. Для сучасних автомобільних двигунів , кг/л, становить: двигуни з іскровим запалюванням - 75... 150; дизелі - 1000...200кг/л.

Питома маса - це маса незаправленого двигуна, що припадає на одиницю його номінальної потужності, кг/кВт:

Для сучасних автомобільних двигунів , становить: двигуни з іскровим запалюванням - 1...6; дизелі - 4...10 кг/кВт.