2.2.7. Показатели эффективной работы и основные размеры двигателей

Индикаторная работа, совершаемая газами в цилиндрах двигателя, не может быть использована полностью, так как часть ее затрачивается на внутренние механические потери в двигателе. К ним относятся:

• потери на трение между движущимися деталями кривошипно-шатунного и распределительного механизмов, других систем двигателя;

• потери на трение движущихся деталей о воздух;

• потери на привод устройств и агрегатов двигателя: топливного, масляного и водяного насосов, вентилятора, генератора, распределителя и др.;

• насосные потери при очистке воздуха и газообмене.

Таким образом, полезно используется только часть индикаторной работы. Это эффективная работа, так как она определяет конечную эффективность двигателя.

Действительная эффективность двигателя характеризуется следующими показателями, аналогичными индикаторным показателям, которые определяются на выходе двигателя, т.е. на его маховике: эффективной мощностью Ne, средним эффективным давлением Pе механическим КПД ƞм; эффективным КПД ƞе; удельным эффективным расходом топлива ge.

Эффективная мощность, кВт, представляет собой разность между индикаторной мощностью Ni, развиваемой газами в цилиндрах двигателя, и суммарной мощностью Nм механических потерь:

Ne= N– Nм

Работа газов в цилиндрах двигателя выражается через среднее индикаторное давление рi Если механические потери выразить через часть среднего индикаторного давления, идущего на преодоление этих потерь, то среднее эффективное давление представляет собой разность между средним индикаторным давлением и средним давлением потерь.

Среднее эффективное давление — это условное постоянное по величине давление газов в цилиндрах двигателя, совершающих работу за один ход поршня из ВМТ до НМТ, равную эффективной работе за цикл:

Pe=Pi-Pм

где Pм — среднее давление механических потерь, МПа.

Эффективная мощность, кВт, и среднее эффективное давление, МПа, связаны между собой зависимостью, аналогичной зависимости между индикаторными показателями:

отношение эффективной мощности

Механический КПД двигателя ƞм — это отношение эффективной мощности на маховике двигателя к индикаторной мощности, или отношение среднего эффективного давления к среднему индикаторному давлению, что характеризует механические потери в двигателе:

отношение эффективной мощности

С учетом того что Ne= N– Nм  и Pe=Pi-Pм

отношение эффективной мощности

т.е. механический КПД повышается при постоянстве механических потерь Pм = const и увеличении индикаторной мощности Ni (среднего индикаторного давления Pi).

При работе двигателя с разными частотами вращения коленчатого вала среднее давление механических потерь Pм зависит от изменения работы трения в механизмах и системах двигателя и изменения насосных потерь. Поэтому с увеличением скорости вращения коленчатого вала давление механических потерь растет, а механический КПД падает.

На основании опытных данных установлены эмпирические зависимости среднего давления, МПа, механических потерь от частоты вращения коленчатого вала n, мин-1:

для дизелей

Pм = 0,092 + 0,0001n;

для бензиновых двигателей

Pм = 0,035 + 0,00005n;

Эффективный КПД двигателей — это отношение эффективной работы, кДж/ч, на маховике двигателя к количеству теплоты, кДж/кг, полученной при сгорании топлива:

Эффективный КПД двигателей

где Le — эффективная работа, кДж, полученная при сгорании топлива в течение 1 ч; GТ — часовой расход топлива, кг; hu — теплота сгорания 1 кг топлива, кДж. Подставив Le = PeVh = PiƞmVh, получим 

Эффективный КПД двигателей

Таким образом, эффективным КПД учитываются тепловые ƞi, и механические ƞm потери ДВС. Для повышения эффективного КПД необходимо повышать ƞi, совершенствуя рабочий процесс, и уменьшать ƞm, совершенствуя конструкцию и качество изготовления ДВС.

Аналогично удельному индикаторному расходу топлива определяется удельный эффективный расход топлива, г/(кВт ч):

эффективный расход

Таблица 2.4

Значения эффективных показателей четырехтактного ДВС

Двигатель

ре, МПа

ƞm

ƞe

ge. г/(кВт ч)

Дизель: без наддува

с наддувом

0,6…0,9

1,2… 1,8

0,75…0,8

До 0,92

0,32…0,38

0,35…0,40

210…260

180-210

Бензиновый

0,6… 1,0

0,75-0,85

0,24…0,30

280-330

Значения эффективных показателей четырехтактного ДВС приведены
в табл. 2.4.

Для увеличения эффективного КПД ƞe прежде всего необходимо увеличить индикаторный КПД ƞi. Это достигается обеспечением оптимального коэффициента избытка воздуха α. В бензиновых ДВС максимальный ƞi, достигается при α – 1,03… 1,05, а в дизельных ДВС — при α = 1,30… 1,35. При меньших значениях а у дизелей из-за худшего смесеобразования, по сравнению с бензиновыми ДВС, появляется дымный выхлоп. Поэтому для обеспечения указанного значения а применяются наддув и промежуточное охлаждение
наддувного воздуха для повышения коэффициента наполнения ƞv.

Газотурбинный наддув с помощью турбокомпрессора, который под давлением подает воздух в цилиндры, широко применяется на двигателях. Турбокомпрессор, состоящий из радиальной центростремительной турбины и центробежного компрессора, устанавливается на выпускной системе двигателя. На номинальной
мощности турбокомпрессор может обеспечить степень повышения давления до λ = 2,5. Топливная аппаратура дизеля с турбонаддувом регулируется на увеличенную цикловую подачу топлива. Дальнейшее совершенствование двигателей посредством наддува идет в основном по пути увеличения степени повышения давления, создания двигателя с характеристикой постоянной мощности, у которого вращающий момент имеет высокий коэффициент
приспособляемости (1,4…2,0). Это достигается настройкой турбокомпрессора на режим максимального вращающего момента, применением регулируемых турбокомпрессоров, специального корректора цикловой подачи, охлаждением наддувного воздуха.

Общая эффективность ДВС в большой степени характеризуется удельными показателями, например литровой мощностью.

Литровая мощность — это мощность Nл получаемая с единицы
рабочего объема цилиндров Vh, кВт/л:

Литровая мощность

От значения Nл зависят габаритные размеры ДВС. Увеличивая частоту вращения коленчатого вала, что приводит к росту литровой мощности, следует обеспечить оптимальное значение коэффициентов ƞv, и ƞm.

Чтобы коэффициенты ƞv и ƞm не снижались при увеличении числа оборотов n, следует увеличивать фазу (угол) впуска свежего заряда и фазу выпуска отработавших газов, увеличивать проходные сечения клапанов (повысится ƞv) и снижать средние скорости движения поршней. Снижение скорости движения поршней достигается путем уменьшения хода поршней и увеличения диаметра цилиндров. Рациональными мероприятиями для увеличения литровой мощности являются наддув дизелей и бензиновых ДВС, при котором давление и температура заряда в конце сжатия повышаются; повышение степени сжатия е бензиновых ДВС; применение непосредственного впрыска бензина и электронного зажигания. Наибольший эффект достигается применением наддува в дизелях. Это позволяет значительно увеличить литровую мощность дизеля.

Основными конструктивными параметрами двигателя внутреннего сгорания являются диаметр цилиндра Du, см, и ход поршня S, см, определяющие рабочий объем двигателя, от которого в значительной мере зависит эффективность рабочего цикла, а также размеры, масса, компоновка и стоимость двигателя в целом. Большое значение имеет обоснованный выбор отношения хода поршня к диаметру цилиндра величина Ψ У современных двигателеи величина Ψ находится в пределах 0,8… 1,3. При этом меньшие значения Ψ характерны для бензиновых двигателей, а большие — для дизелей. При известном значении у ход поршня S =ΨDu.

Исходными зависимостями при определении диаметра цилиндра Du см, и хода поршня S, см, являются рабочий объем Vh л (дм3), и эффективная мощность двигателя Nе, кВт:

рабочий объем

Решение этих уравнений относительно Du, дм, дает

дм

где τ — число тактов за рабочий цикл (тактность); Pе— среднее эффективное давление, МПа; i — число цилиндров; n — частота вращения коленчатого вала, мин-1.